Ciemna materia, czyli z czego zbudowany jest Wszechświat.

Szacuje się, iż Wszechświat zbudowany jest z 2000 miliardów galaktyk. W skład każdej galaktyki wchodzą z kolei miliardy gwiazd, planet, satelitów, planetoid, asteroid, komet i innych drobiazgów w formie gazów i pyłów. Ogromna ilość materii, widzialnej materii, będącej jednak jedynie fragmentem zawartości Wszechświata. 

Co zatem wypełnia Wszechświat? Przyjmuje się, iż większość przestrzeni kosmicznej wypełniona jest niewidzialną formą materii. Według obliczeń stanowi on około 27% masy/energii Kosmosu, przy blisko 5% udziale materii widzialnej. Resztę (około 68%) wypełnia inny tajemniczy twór - ciemna energia. 

Odkrycie

Istnienie ciemnej materii jest jednym z wyjaśnień anomalii w obserwowanym zachowaniu galaktyk, na które po raz pierwszy zwrócił uwagą w 1933 roku szwajcarski astronom Fritz Zwicky. Dostrzegł on niezwykle szybki ruch obrotowy galaktyk gromady Coma, w efekcie czego, biorąc pod uwagę jedynie oddziaływanie grawitacyjne materii widzialnej, część galaktyk powinna zostać wyrzucona na zewnątrz gromady. Jeśli tak się nie działo, musiały istnieć jakieś niewidoczne dla obserwatora skupiska masy, których istnienie mogło przeciwdziałać grawitacyjnie sile odśrodkowej wirującej grupy galaktyk. Brak jakichkolwiek dowodów popierających taką tezę sprawił, że środowisko astrofizyków nie zainteresowało się bliżej tymi obserwacjami.

Galaktyczne spoiwo

Tak było do lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy problemem zainteresowała się Vera Rubin, amerykańska astrofizyk. Badając krzywe rotacji galaktyk odkryła, iż gwiazdy znajdujące się na ich obrzeżach poruszały się z taką samą prędkością jak te usytuowane w jej centrum. Dominująca wówczas teoria głosiła, iż aby utrzymać swoje pozycje powinny one rotować ze znacznie mniejszą prędkością. Rubin zgłosiła postulat istnienia w międzygwiezdnej przestrzeni dodatkowej niewidzialnej masy, która jest źródłem grawitacji, odpowiedzialnej za takie zachowanie galaktyk. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że bez oddziaływania grawitacyjnego takiej materii galaktyki rozpadłyby się. Innymi słowy, takie oddziaływanie stanowić miało spoiwo wirujących gwiazd.

Dowody istnienia

Informacje zbierane przez radioteleskopy potwierdzają istnienie tego rodzaju niewidzialnej materii. Badając tzw. “szybki błysk radiowy”, czyli milisekundowy sygnał radiowy, którego źródło i sposób powstawania nie zostały jeszcze odkryte i zbadane, stwierdzono “rozciągnięcie” sygnału podczas pokonywania międzygalaktycznej przestrzeni. Wskazuje to na rozproszenie niektórych częstotliwości takiego sygnału przez jakąś materię wypełniającą tę przestrzeń, sugerując istnienie plazmy wypełniającej międzygalaktyczny Wszechświat. Wykorzystując szybkie błyski można określać położenie i wielkość skupisk plazmy, czyli tzw. ośrodka międzygalaktycznego, w przestrzeni.

Obecność plazmy (naładowanych elektrycznie cząstek elementarnych) kwestionuje istnienie próżni wskazując na obecność bardzo rozrzedzonej materii, materii, która nie jest zbudowana z atomów, materii, o której nic nie wiadomo, a której istnienia możemy się tylko domyślać na podstawie pewnych pośrednich wskazówek - to co potrafimy wykryć, to jedynie wpływy jej grawitacji.

Ciemna materia zostawia bowiem wyraźny ślad. Silna grawitacja galaktyk potrafi zakrzywić promienie świetlne tworząc tzw. soczewkę grawitacyjną (pierścień Einsteina). Soczewka zakrzywia obraz znajdujących się odległych galaktyk. Z obrazu pierścienia można wyliczyć masę danego obszaru galaktyki. Jednak z obliczeń wynika, iż jest ona kilka razy większa niż masa gwiazd wchodzących w skład danego obszaru przestrzeni. Zatem większa część obrazu pierścienia jest efektem działania niewidzialnej materii, która zagina światło dając dowód swego istnienia. 

Badania nad pierścieniami Einsteina prowadzić będzie teleskop Euclid wyposażony w specjalne, niezwykle duże i dokładne matryce CCD. Matryce poddaje się bardzo rygorystycznym testom w komorach wypełnionych ciekłym azotem, aby sprawdzić ich zachowanie w przestrzeni kosmicznej. Pomiary prowadzone za pomocą urządzeń wyposażonych w takie matryce pomogą wyliczyć ilość ciemnej materii kryjącej się w Kosmosie.

Czym może być ciemna materia

Ciemna materia nie pochłania ani nie odbija światła, nie jest zatem materią w klasycznym rozumieniu atomowym. Czym zatem może być? Jedna z teorii dotyczyła neutrin (gorąca ciemna materia), cząstek poruszających się z prędkościami relatywistycznymi (według tego co już wiemy neutrina nie byłyby jednak w stanie utworzyć widocznych skupisk ciemnej materii, w związku z tym nie są one dobrym kandydatem, a przynajmniej nie mogą one stanowić istoty całej ciemnej materii). Inna z teorii zakłada, że to słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP), które pozostały po Wielkim Wybuchu (tzw. zimna ciemna materia). Podejrzane są także bariony, rodzina cząstek silnie oddziałujących fermionów  (barionowa ciemna materia zbudowana m.in. z protonów i neutronów). Kandydaci wyłaniają się także z teorii supersymetrycznych. Teorie te zakładają istnienie supersymetrycznego partnera dla każdego rodzaj cząstek elementarnych. Supercząstki posiadają duże masy i mogą być nietrwałe, rozpadając się na mniej masywne supercząstki, które powinny teoretycznie być stabilne. Jedna z takich supercząstek znana jest jako neutralino (supersymetryczny partner neutrina). Teorię tę można przenosić na różne grunty, i tak w supersymetrycznych teoriach grawitacji pojawia się grawitino, superpartner grawitonu, hipotetycznej cząstki oddziaływań grawitacyjnych, z kolei odpowiednikiem aksjonu byłoby aksino. Cząstki te kwalifikowałyby się do detekcji za pomocą specjalistycznego wyposażenia.

Detektory ciemnej materii

Obecnie nie potrafimy jeszcze wykryć ciemnej materii. Powodem, jak się przypuszcza jest brak odpowiedniego sprzętu. Sprzęt taki, w postaci detektora jednotonowego XENON1T, zaczął realizować prace badawcze w Gran Sasso Laboratories we Włoszech. Według teorii fale ciemnej materii powinny zaginać się wokół jądra Ziemi tworząc wiązki przenikające przez materię planety. Detektor szuka śladów pojedynczych cząstek przenikających Ziemię. Jest nadzieja, iż przechodząc przez zbiornik detektora, któraś z podejrzanych cząstek zderzy się z atomem xenonu wywołując krótki rozbłysk. W celu wyeliminowania wpływu czynników zakłócających obserwowany jest jedynie środek potężnego zbiornika. Największe nadzieje wiązane są w tym przypadku z wykryciem neutralino i aksino. Choć detektor rejestruje rozbłyski, jak dotąd ciągle brak jest mocnych dowodów na zderzenie z którąś z podejrzanych cząstek (prace nad nowym, większym i dokładniejszym detektorem XENONnT są w toku).

Ciemna materia, ciemna energia, multiwersum

Jak się przypuszcza ciemna materia może być odpowiedzialna nie tylko za spoiwo galaktyk, ale nawet całego Wszechświata. Istnieją teorie głoszące, iż grawitacja ciemnej materii łączy ze sobą galaktyki, tworząc plazmowe kanały wzdłuż których formują się skupiska gwiazd, rodzaj sieci, szkieletu całego Wszechświata. Komputerowe symulacje wskazują na niemożność istnienia stabilnego Wszechświata bez obecności i oddziaływania ciemnej materii. Ciemna materia jest rodzajem kleju spajającego Kosmos w formie jaką można zaobserwować. Przestrzeń Wszechświata jednak nie jest statyczną konstrukcją, ale się rozszerza, a to co nadaje temu puchnięciu przyspieszającego tempa związane jest z postulatem istnienia ciemnej energii i jej ujemnej siły grawitacyjnej przewyższającą dodatnią, skupiającą siłę grawitacji zwykłej materii. Na temat tej energii wiadomo chyba jeszcze mniej niż w przypadku ciemnej materii, przypuszcza się jednak, iż obie “ciemności” mogą pochodzić z innego Wszechświata. Brzmi dosyć fantastycznie? Jednak wyjaśnienie jest naukowo uzasadnione. Materii tej nie widać właśnie dlatego, że pochodzi z równoległego wszechświata, skąd nie dociera światło, przenikają natomiast oddziaływania grawitacyjne, i stąd obserwowane zjawiska. Rozszerzanie naszego Wszechświata może być zaś efektem przyciągania przez inne wszechświaty. Należy zaznaczyć, iż teoriami tego typu nie zajmują się pisarze science fiction, ale pracownicy naukowi. Niektóre anteny prowadzą obserwacje w celu wykrycia specyficznego śladu wodoru, niezwykle jasnego kręgu, miejsca powstałego w wyniku zetknięcia dwóch wszechświatów w czasie inflacyjnego wzrostu jednego z nich w początkach jego istnienia. Pomysł ten opiera się na koncepcji Wieloświatów. W przypadku odkrycia tego wodorowego śladu istniałyby przesłanki ku poważnemu traktowaniu teorii głoszącej przenikanie materii pomiędzy wszechświatami multiwersum.

Czy ciemna materia istnieje, czy efekty przypisywane ciemnej materii można wytłumaczyć w inny sposób? Istnieją oczywiście koncepcje alternatywne, jednak badania nad ciemną materią są na tyle obiecujące, że naukowcy nie przestają szukać śladów cząstek które mogą być odpowiedzialne za jej istnienie, prowadzą radioteleskopowy nasłuch, obserwacje optyczne i snują teoretyczne dywagacje na temat genezy jej istnienia.