Gdzie jest ciemna materia? To miejsce możecie znać

Ciemna materia i ciemna energia to dwa wciąż hipotetyczne składniki naszego Wszechświata. Ciemna energia odpowiada, dzięki swojemu odpychającemu oddziaływaniu, między innymi za rozszerzanie się Wszechświata. Są alternatywne wyjaśnienia dla tego procesu, niektóre tak niezwykłe jak teoria łączących się wszechświatów, ale wciąż nie jesteśmy pewni, które rozwiązanie wybrać. Obserwacje teleskopów Hubble i Webb nie pomagają, a tylko podkręcają problem niezgodnych wyników tempa rozszerzania się Wszechświata - znanych jako tzw. napięcie Hubble’a. Oba są zaskakująco zgodne i w kontrze do obserwacji reliktowego promieniowania z początków kosmosu, które wskazuje na coś innego.

Ciemna materia - fascynujące zagadnienie nie tylko dla ekspertów

A ciemna materia, o której więcej wspominamy w innym materiale, dlaczego jest tak problematyczna? Mogą ją tworzyć zarówno obiekty, które łatwo nam sobie wyobrazić, czyli nieemitujące światła czarne dziury (na tyle odległe od źródeł zwykłej masy, że nie są w stanie manifestować swojej obecności w świetle widzialnym), brązowe karły (zbyt słabo świecące, by je zobaczyć w bezmiarze kosmosu), swobodne planety wyrzucone z własnych układów planetarnych.

Mogą to być też obiekty egzotyczne, ale znane nam z nazwy - neutrina (niektóre z nich mogą mieć mała, ale niezaniedbywalną masę spoczynkową), aksjony (hipotetyczne cząstki podobnie słabo oddziałujące jak neutrina, ale jeszcze nie odkryte). W końcu może to być też manifestacja nowego typu fizyki - modyfikacji obecnej teorii grawitacji (już traktowana na poważnie w wielu problemach astronomicznych), nowych teorii pola, wymiarów, symetrii, czy supermasywnych cząstek, których istnienia jeszcze nie podejrzewamy.

Skład Wszechświata, w którym 25 procent to ciemna materia. Zwykła materia to tylko 5 procent ogółu, a w tych 5 procentach tylko 7 procent stanowią gwiazdym reszta to gaz międzygwiezdny i międzygalaktyczny. (fot: ESA)

Każdego dnia gdzieś na świecie naukowcy próbują odpowiedzieć na pytania dotyczące ciemnej materii. Problemem jest to, że niekoniecznie muszą ją tworzyć jednego typu oddziaływania czy cząstki. Może to być połączenie wkładu wielu składników, ale też jeden z nich może pełnić dominującą rolę. Jedni ślęczą nad teoretycznymi modelami wszechświata inni poszukują fizycznych dowodów (na Ziemi w takich centrach badawczych jak CERN i poza nią obserwując głęboki kosmos). Przyjrzyjmy się rozważaniom teoretyków, a dokładnie dwóm rozwiązaniom, które problem ciemnej materii rozwiązują w kompletnie odwrotny sposób.

Pomysł 1 - Ciemnej materii nie ma, nasze zmysły są oszukane

To pierwsza teoria. W zasadzie trudno mówić tu o miejscu, bo po prostu istnienie ciemnej materii jest wyeliminowane. Jak to możliwe? Wszechświat bez ciemnej materii istnieje w modelu kosmologii, który powstał na Uniwersytecie w Ottawie. Często przytaczany przy okazji zagadnienia ciemnej materii profesor Rajendra Gupta (ten sam, który rok temu sugerował że wszechświat jest dwa razy starszy), połączył dwie teorie, by uzyskać nowy wzorzec wszechświata. To stara teoria zmęczonego światła (TL) oraz teoria współzmiennych stałych sprzężenia (CCC).

Teoria, że ciemnej materii może nie być brzmi ciekawie, tylko jak wytłumaczyć silne soczewkowanie, które obserwują teleskopy. (fot: NASA)

Zmęczone światło to pogląd, który zakłada, że w wyniku wielu oddziaływań światła z materią na drodze do obserwatora, w końcu do chodzi do utraty energii przez fotony i znanego nam już zjawiska poczerwienienia. Zakładając, że obserwujemy fotony podróżujące przez większą część znanego nam wszechświata, miały one dużo czasu żeby się „zmęczyć”.

Druga teoria zakłada, że znane nam siły natury w dużej odległości i różnym czasie nie są takie same jak sugeruje ich obecny opis. Połączenie obu tych teorii (TL+CCC) pozwala wyjaśnić obecne obserwacje bez odwoływania się do ciemnej materii, a nawet ciemnej energii.

To jedno wyjaśnienie problemu istnienia ciemnej materii. Drugie jest nawet bardziej fascynujące, bo odwołuje się do koncepcji, o której słyszał każdy, kto choć trochę interesuje się fantastyką naukową.

Pomysł 2 - Ciemna materia jest, ale w równoległym wszechświecie

Równoległy wszechświat? To twór, który należy to tak zwanego wieloświata, zbioru wszystkich możliwych wszechświatów. Jedna z koncepcji - zaproponowana przez Hugh Everetta - zakłada, że równoległe wszechświaty można traktować tak jak w fizyce kwantowej różne możliwe stany cząstek. Nasz wszechświat ewoluował w sposób, który pozwolił powstać inteligentnemu życiu na Ziemi. W równoległej rzeczywistości, ten sam początek, czyli wielki wybuch, doprowadził do kompletnie innego splotu zdarzeń.

Wizja wczesnego wszechświata (fot: ESA)

Być może istnieje w nim Układ Słoneczny, w którym to na Marsie, a nie na Ziemi, rozwinęła się technologiczna cywilizacja. Możliwe też, że wszystko jest tam prawie takie samo, z drobnymi różnicami - do tej koncepcji odwołują się liczne odcinki serialu Star Trek, który stara się być zgodnym z naukowymi poglądami lub ich ekstrapolacją, ale też filmy traktujące naukę dość swobodnie - Wszystko wszędzie naraz czy ikoniczny Powrót do przyszłości.

Gdzie tu miejsce na ciemną materię? Otóż teoria zaproponowana przez naukowców z Fermilabu (amerykański odpowiednik europejskiego CERN) zakłada scenariusz, w którym istnieją dwa wszechświaty (mogą być jednymi z wielu). Nasz, w którym powstała zwykła (barionowa, czyli taka z której złożone są gwiazdy, planety, my sami) materia, oraz drugi lustrzany, w który jest jego odpowiednikiem, ale stworzonym z ciemnej materii. Jeśli w naszym wszechświecie zachodzi oddziaływanie z udziałem normalnej materii, we wszechświecie równoległym dzieje się to samo, ale z udziałem ciemnej materii.

Nie wszystko jest jednak takie samo jak mogłaby podpowiadać nam intuicja. W równoległym wszechświecie mamy przede wszystkim ciemne neutrony, gdyż protony jako mniej masywne istnieją znacznie krócej. Inny zespół już wcześniej proponował ideę ciemnego układu okresowego pierwiastków, gdzie jądra atomowe tworzą ciemne neutrony, a brak sił odpychających, jakie istnieją pomiędzy protonami w naszym świecie pozwala ciemnym pierwiastkom osiągać bardzo dużą masę. Obecna teoria równoległego ciemnego wszechświata jest rozszerzeniem tej koncepcji.

Czy da się zaobserwować ciemną materię jeśli istnieje?

Jeśli ciemna materia istnieje w naszym wszechświecie szansa dostrzeżenia jej istnienia wydaje się oczywista, o ile pozwolą na to jej własności, a my wykluczymy inne rozwiązania jak Pomysł 1.

Pokój kontrolny misji Euclid, która poszukuje dowodów na obecnośc ciemnej materii i energii w naszym Wszechświecie. (fot: ESA)

Ale co, gdy ciemna materia schowała się w innym wszechświecie (Pomysł 2)? Być może nawet obecnie możliwe jest wzajemne oddziaływanie pomiędzy równoległymi wszechświatami. A dokładnie grawitacyjne oddziaływanie ciemnej materii na zwykłą materię, gdyż mogą one znajdować się w tej samej przestrzeni, choć zgrupowane inaczej - ciemna materia tworzyłaby przede wszystkim zupę neutralnych ciemnych neutronów z niewielkimi zagęszczeniami w miejscach, gdzie w naszym świecie istnieją duże skupiska materii.

Pomysłodawcy teorii ciemnego wszechświata sugerują, że drzwi pomiędzy dwoma wszechświatami mogły być obecne w początkach ich istnienia, gdy tworzone były pierwsze pierwiastki. Ciemna materia wpływała na tempo powstawania pierwiastków w naszym wszechświecie i to może być możliwe do zaobserwowania nawet jeśli obecnie tamten wszechświat przestał istnieć.

Droga do potwierdzenia lub odrzucenia teorii równoległego ciemnego wszechświata jest jednak długa. Choć przytoczone w tekście pomysły brzmią na pierwszy rzut oka ciekawie, to wcale nie oznacza to, że tylko rozwiązują problemy, a nie tworzą nowych. Rozważania na temat ciemnej materii (i ciemnej energii) mogą jednak w końcu przynieść korzyści. Dążenie do wyjaśnienia zagadnienia ciemnej materii i energii wymusi stworzenie nowych aparatów matematycznych, praw fizyki czy modyfikacji już istniejących. A to może w przyszłości pomóc budować urządzenia zdolne dokonać to co dziś pozornie wygląda jak zaprzeczenie praw natury.

Źródło: Popular Mechanics, inf. własna