Rzeczy, które na razie są niewidzialne
Widzimy także w pewnym sensie antymaterię, gdy wchodzi w gwałtowną interakcję ze zwykłą materią, a także grawitację, która ogólnie stanowi bardziej złożony problem, bo choć dostrzegaliśmy ją po skutkach oddziaływania, to w sensie bardziej całościowym, jako drgania i fale czasoprzestrzeni, była dla nas nieuchwytna aż do 2015 r.
Grawitacji jednak także w pewnym sensie wciąż nie "widzimy", gdyż nie wykryliśmy do tej pory żadnego nośnika tego oddziaływania (czyli np. hipotetycznej cząstki o nazwie grawiton). Warto tu wspomnieć, że jest pewna analogia między historią grawitacji oraz ciemnej materii.
Widzimy efekty działania tej ostatniej, ale nie obserwujemy jej bezpośrednio, nie wiemy z czego się składa. Jest też jednak pewna zasadnicza różnica pomiędzy owymi "niewidzialnymi" zjawiskami. Grawitacji nikt raczej nigdy nie kwestionował. Zaś z ciemną materią (1) bywa różnie.
Podobnie jak z ciemną energią, której we Wszechświecie znajduje się podobno jeszcze więcej niż ciemnej materii. Jej istnienie zostało wywiedzione w formie hipotezy, na podstawie zachowania Wszechświata jako całości. "Zobaczyć" ją będzie zapewne jeszcze trudniej niż ciemną materię, choćby dlatego, że nasze potoczne doświadczenie uczy, iż energia z natury pozostaje czymś mniej uchwytnym dla zmysłów (i narzędzi obserwacyjnych) niż materia.
Wedle współczesnych przypuszczeń obie te ciemne strony Wszechświata mają stanowić 96% jego zawartości.
Zatem w sumie to nawet sam Wszechświat jest dla nas przeważnie niewidoczny, nie wspominając już o tym, że jeśli chodzi o jego granice, znamy tylko te, wytyczone przez ludzką zdolność obserwacji, a nie te, które miałyby być jego prawdziwymi krańcami - jeśli takie w ogóle istnieją.
Coś nas ciągnie razem z całą Galaktyką
Niedostrzegalność niektórych rzeczy w kosmosie może być dręcząca, tak jak np. fakt, że nasza Galaktyka i 100 tys. galaktyk sąsiednich zmierzają nieustannie w kierunku tajemniczego punktu we Wszechświecie znanego jako Wielki Atraktor. Rejon ten jest oddalony od nas ok. 220 milionów lat świetlnych, a naukowcy nazywają go anomalią grawitacyjną. Uważa się, że Wielki Atraktor ma masę kwadrylionów słońc.
Zacznijmy od tego, że Wszechświat się rozszerza. Dzieje się tak od momentu Wielkiego Wybuchu, a obecne tempo tego procesu szacuje się na 2,2 miliona km na godzinę. Oznacza to, że nasza Galaktyka oraz sąsiadująca z nią galaktyka Andromedy również powinny poruszać się z taką prędkością, prawda? Niezupełnie.
W latach 70. XX wieku stworzyliśmy szczegółowe mapy kosmicznego Mikrofalowego Promieniowania Tła (CMB) Wszechświata i zauważyliśmy, że jedna strona Drogi Mlecznej jest cieplejsza od drugiej. Było to mniej niż jedna setna różnicy stopnia Celsjusza, a jednak wystarczyło, by dać nam znać, że poruszamy się z prędkością 600 km na sekundę w kierunku konstelacji Centaura.
Kilka lat później dowiedzieliśmy się, że nie tylko my, ale wszystko w zasięgu stu milionów lat świetlnych od nas zmierza w tym samym kierunku. Jest tylko jedna rzecz, która mogłaby przeciwstawić się ekspansji na tak ogromne odległości, a mianowicie grawitacja.
Andromeda np. powinna się od nas oddalać, a jednak za 4 miliardy lat będziemy musieli się z nią… zderzyć. Wystarczająco dużo masy może przeciwdziałać ekspansji. Naukowcy najpierw myśleli, że ta szczególna prędkość wynika z naszego miejsca na obrzeżach tzw. Supergromady Lokalnej.
Dlaczego tak trudno nam zobaczyć tego tajemniczego Wielkiego Atraktora? Niestety, to nasza własna Galaktyka zasłania nam widok. Przez pas Drogi Mlecznej nie widzimy ok. 20% Wszechświata. Tak się składa, że biegnie ona dokładnie tam, gdzie znajduje się Wielki Atraktor. Teoretycznie można przeniknąć przez tę zasłonę za pomocą obserwacji w zakresie promieni rentgenowskich i podczerwieni, jednak nie daje to wyraźnego obrazu.
Mimo tych trudności udało się ustalić, że w jednym obszarze Wielkiego Atraktora, znajdującym się 150 milionów lat świetlnych stąd, znajduje się galaktyczna Gromada Norma. A za nią jeszcze bardziej masywna supergromada, oddalona o 650 milionów lat świetlnych, zawierająca masę 10 tys. galaktyk, jeden z największych obiektów znanego nam Wszechświata.
Naukowcy zakładają więc, że Wielki Atraktor stanowi grawitacyjne centrum wielu supergromad galaktyk, w tym i naszej - łącznie ok. 100 tys. takich obiektów, jak Droga Mleczna. Są też teorie, że jest to ogromne nagromadzenie ciemnej energii lub obszar o dużej gęstości z ogromnym przyciąganiem grawitacyjnym.
Niektórzy badacze uważają, że jest to po prostu przedsmak ostatecznego… końca Wszechświata. Wielki Kryzys oznaczałby kondensację Wszechświata po kilku bilionach lat, kiedy ekspansja spowolni i zacznie się odwracać. Po jakimś czasie doprowadziłoby to do powstania supermasywnej czarnej dziury, która pożerałaby wszystko, włączając siebie samą.
Jednak, jak zauważają uczeni, ekspansja Wszechświata w końcu wygra z siłą Wielkiego Atraktora. Nasza prędkość w jego kierunku to jedynie jedna piąta tempa rozszerzania się wszystkiego. Ogromna struktura lokalna Laniakea (2), której jesteśmy częścią, pewnego dnia będzie musiała się rozproszyć, jak wiele innych tworów kosmicznych.
Piąta siła natury
Czymś czego nie widzimy, ale czego istnienie od niedawna poważnie podejrzewamy, jest tzw. piąte oddziaływanie.
Znalezienie tego, co opisuje się w mediach w parze ze spekulacjami na temat hipotetycznej nowej cząstki o intrygującej nazwie X17, mogłoby pomóc wyjaśnić tajemnicę ciemnej materii i ciemnej energii.
Znane są cztery oddziaływania: grawitacja, elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły atomowe. Efekty działania czterech znanych sił na materię – od mikrokrólestwa atomów, aż po kolosalną skalę galaktyk – są dobrze udokumentowane i w większości przypadków zrozumiałe. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę, że ok. 96% masy naszego Wszechświata składa się ze spowitych mrokiem, niewyjaśnionych rzeczy nazywanych ciemną materią i ciemną energią, wówczas nic dziwnego, że naukowcy od dawna podejrzewają, iż te cztery oddziaływanie nie reprezentują wszystkiego, co się w kosmosie dzieje.
Próba opisania nowej siły, autorstwa zespołu kierowanego przez Attilę Krasznahorkaya (3), fizyka w Instytucie Badań Jądrowych (ATOMKI) Węgierskiej Akademii Nauk, o której usłyszeliśmy jesienią ubiegłego roku, nie była pierwszym sygnałem o istnieniu tajemniczych oddziaływań.
Ci sami naukowcy po raz pierwszy pisali o "piątej sile" w 2016 r., po przeprowadzeniu eksperymentu polegającego na strzelaniu protonów do izotopów, które są wariantami pierwiastków chemicznych. Badacze obserwowali, jak protony powodowały, że izotop znany jako lit-7 stał się niestabilnym rodzajem atomu zwanego berylem-8.
Gdy atomy berylu-8 rozpadały się, wytwarzały pary elektronów i pozytonów, które odpychały się od siebie, skłaniając cząstki do wystrzeliwania pod kątem. Zespół spodziewał się zobaczyć korelację pomiędzy energią świetlną emitowaną przez proces rozpadu a kątami, pod którymi cząstki odleciały od siebie. Zamiast tego elektrony i pozytony odchylały się pod kątem 140 stopni prawie siedmiokrotnie częściej, niż przewidywały ich modele, co było zaskakującym wynikiem.
"Całą naszą wiedzę o świecie widzialnym można opisać za pomocą tzw. Standardowego Modelu fizyki cząstek", pisze Krasznahorkay. "Nie przewiduje on jednak żadnych cząstek cięższych od elektronu i lżejszych od mionu, który jest 207 razy cięższy od elektronu. Jeśli w powyższym oknie masy znajdziemy nową cząstkę, będzie to wskazywało na jakieś nowe oddziaływanie, nie ujęte w Modelu Standardowym".
Tajemniczy obiekt nosi nazwę X17 ze względu na swoją szacunkową masę 17 megaelektronowoltów (MeV), czyli ok. 34 razy większą niż elektron. Badacze obserwowali rozpad trytu na hel-4 i po raz kolejny zaobserwowali dziwne ukośne wydostawanie się, które wskazywało na cząstkę o masie ok. 17 MeV.
"Foton pośredniczy w oddziaływaniu elektromagnetycznym, gluon w silnym, a bozony W i Z w słabym", wyjaśnił Krasznahorkay.
"Nasza cząstka X17 powinna pośredniczyć w nowym oddziaływaniu, piątym. Nowy wynik obniża prawdopodobieństwo, że pierwszy eksperyment był tylko przypadkiem, lub że wyniki spowodował błąd w systemie".
Ciemna materia pod nogami
Z wielkiego Wszechświata, mglistego obszaru zagadek i tajemnic wielkiej fizyki, wróćmy na Ziemię. Natrafiamy tu na dość zaskakujący problem… z wejrzeniem i dokładnym zobrazowaniem wszystkiego tego, co znajduje się w jej wnętrzu (4).
Kilka lat temu pisaliśmy w "MT" o zagadce ziemskiego jądra, o tym, że z jego powstaniem wiąże się paradoks i nie wiadomo na pewno, jaką ma ono naturę i budowę. Dysponujemy wprawdzie takimi technikami, jak np. badania za pomocą fal sejsmicznych, udało się też opracować model budowy wewnętrznej Ziemi, co do którego panuje naukowa zgoda.
Jednak w porównaniu chociażby z odległymi gwiazdami i galaktykami nasze rozeznanie względem tego, co znajduje się pod naszymi własnymi stopami, jest wątłe. Obiekty kosmiczne, nawet te bardzo odległe, po prostu widzimy. O jądrze, warstwach płaszcza, czy nawet głębszej skorupie ziemskiej nie możemy tego powiedzieć.
Bezpośrednim badaniom dostępne są jedynie najbardziej zewnętrzne warstwy Ziemi. Doliny górskie odsłaniają skały do głębokości najwyżej kilku kilometrów. Najgłębsze geologiczne odwierty badawcze sięgają niewiele głębiej niż 12 km.
Informacji o skałach i minerałach budujących głębsze wnętrze Ziemi dostarczają nam ksenolity, czyli fragmenty skał porwane i wyniesione z głębi Ziemi w procesach wulkanicznych. Na ich podstawie petrologowie potrafią określić skład mineralny do głębokości kilkuset kilometrów.
Promień Ziemi to 6371 km, co okazuje się drogą trudną do przebycia dla wszelkich naszych "penetratorów". Ze względu na ogromne ciśnienie i temperaturę sięgającą ok. 5 tys. stopni Celsjusza trudno spodziewać się, że najgłębsze wnętrze będzie w dającej się przewidzieć przyszłości dostępne bezpośrednim obserwacjom.
Jak zatem dowiedzieliśmy się tego, co wiemy o budowie głębokiego wnętrza Ziemi? Takich informacji dostarczają nam fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi, czyli fale sprężyste rozchodzące się w ośrodku sprężystym.
Swą nazwę zawdzięczają one temu, że generują je wstrząsy. W ośrodku sprężystym (skalnym) mogą rozchodzić się dwa rodzaje objętościowych fal sprężystych (sejsmicznych): szybsze - podłużne i wolniejsze - poprzeczne. Te pierwsze są drganiami ośrodka zachodzącymi wzdłuż kierunku propagacji fali, podczas gdy w poprzecznych drgania ośrodka biegną prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.
Podłużne rejestrowane są jako pierwsze (łac. primae), a poprzeczne jako drugie (łac. secundae), stąd też ich tradycyjne oznaczenia w sejsmologii - fale podłużne p i poprzeczne s. Fale p są ok. 1,73 razy szybsze niż s.
Informacje, których dostarczają nam fale sejsmiczne, pozwalają zbudować model wnętrza Ziemi na podstawie własności sprężystych. Inne własności fizyczne możemy określić na podstawie pola siły ciężkości (gęstość, ciśnienie), obserwacji prądów magnetotellurycznych generowanych w płaszczu Ziemi (rozkład przewodnictwa elektrycznego) czy rozkładu ziemskiego strumienia cieplnego.
Petrologiczny skład wnętrza Ziemi możemy określić na podstawie porównań z laboratoryjnymi badaniami własności minerałów i skał w warunkach wysokich ciśnień oraz temperatur.
Ziemia emituje ciepło i wcale nie jest tak do końca przesądzone, skąd ono pochodzi. Niedawno pojawiła się nowa teoria, związana z najbardziej nieuchwytnymi cząstkami elementarnymi. Uważa się, że istotnych wskazówek dla rozwiązania tajemnicy ciepła emitowanego z wnętrza naszej planety może dostarczyć rodzaj neutrin - cząsteczek o niezwykle niskiej masie - emitowanych przez radioaktywne procesy zachodzące w ziemskim wnętrzu.
Głównymi znanymi źródłami promieniotwórczości na Ziemi są niestabilne izotopy uranu, toru i potasu - co wiemy na podstawie próbek skał znajdujących się na głębokości do 200 km pod powierzchnią ziemi. To, co czai się głębiej, jest już niepewne.
Wiemy, że geo-neutrina emitowane podczas rozpadów uranu mają więcej energii niż te emitowane podczas rozpadu potasu. Tak więc mierząc energię geo-neutrin możemy dowiedzieć się, z jakiego rodzaju materiałów promieniotwórczych pochodzą.
Niestety, geo-neutrina są bardzo trudne do detekcji. Dlatego też ich pierwsza obserwacja, w 2003 r., wymagała ogromnego podziemnego detektora wypełnionego ok. 1 tys. ton cieczy. Detektory te mierzą neutrina, rejestrując kolizję z atomami w cieczy.
Od tego czasu tylko w jednym eksperymencie udało się zaobserwować geo-neutrina przy użyciu podobnej technologii (5). Oba pomiary wskazują, że około połowy ciepła Ziemi pochodzącego z radioaktywności (20 terawatów) można wytłumaczyć rozpadem uranu i toru. Źródłem pozostałych 50% jest… na razie nie wiadomo co.
W lipcu 2017 r. rozpoczęto budowę głębokiego detektora znanego również pod nazwą DUNE, który ma zostać ukończony ok. 2024 r. Obiekt będzie zlokalizowany prawie ponad 1,5 km pod ziemią, w dawnej kopalni złota Homestake w Południowej Dakocie.
Naukowcy planują wykorzystać DUNE do znalezienia odpowiedzi na najważniejsze pytania współczesnej fizyki przez dokładne zbadanie neutrina, czyli jednej z najmniej zbadanych cząstek podstawowych.
W sierpniu 2017 r. międzynarodowa grupa naukowców opublikowała w czasopiśmie "Physical Review D" artykuł proponujący dość nowatorskie wykorzystania DUNE jako skanera do badania wewnętrznej struktury Ziemi. Do fal sejsmicznych i odwiertów doszłaby nowa metoda badania wnętrza planety, która być może pokazałaby nam jego zupełnie nowy obraz. Na razie jednak to tylko pomysł.
Od kosmicznej ciemnej materii dotarliśmy do niemniej ciemnej dla nas materii wnętrza naszej planety. Niewidzialność i nieprzeniknioność tych rzeczy jest kłopotliwa, ale nie aż tak, jak niepokój, że nie widzimy wszystkich obiektów, które są relatywnie blisko Ziemi, a zwłaszcza tych na kursie z nią kolizyjnym.
To już jednak nieco inny temat, który niedawno omawialiśmy dokładnie w "MT". Nasz pęd do rozwoju technik obserwacji jest w pełni uzasadniony we wszystkich kontekstach.
