Ciemna materia - co wiemy, a czego nie wiemy. Czym jesteś, Prosiaczku?
Tuż obok, w skali kosmicznej ma się rozumieć, na obrzeżu Drogi Mlecznej odkryto galaktykę z, jak się zakłada, ogromną zawartością ciemnej materii. Galaktyka w konstelacji Trójkąta II jest małą, zawierającą zaledwie około tysiąca gwiazd, formacją.
Evan Kirby z Caltech wyznaczył masę tej galaktyki, mierząc prędkości sześciu gwiazd poruszających się po orbitach wokół centrum obiektu, za pomocą dziesięciometrowego teleskopu Kecka. Wyznaczona na podstawie tych ruchów masa galaktyki okazała się znacznie większa niż łączna masa gwiazd, co oznacza, że w galaktyce prawdopodobnie występuje bardzo dużo ciemnej materii. Późniejsze badania wprawdzie podważały gęstość tej galaktyki, ale sprawa wciąż daje do myślenia.
Co tam zresztą sąsiednie galaktyki. Ciemna materia w dużych ilościach może być jeszcze bliżej, niemal "za progiem". Jak sugeruje Gary Prézeau, badacz z należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, Ziemia ciągnie za sobą "warkocze" z ciemnej materii.
Twierdzenia Prézeau natomiast opierają się na częstym ostatnio przekonaniu, że ciemna materia w kosmosie ma formę "drobnoziarnistych strumieni" cząstek przenikających przestrzeń kosmiczną. Owe strumienie egzotycznych cząstek składających się na ciemną materię mogą rozciągać się na długości większe nie tylko niż Układ Słoneczny, ale również przekraczać granice galaktyk. Gdy Ziemia podczas swojej wędrówki przecina takie strumienie, jej grawitacja wpływa na nie, sprawiając, że układają się niczym włosy z cebulkami osadzonymi wokół naszej planety (1).
Włosy ciemnej materii wyrastają, według uczonego, ze sfery rozciągającej się nawet o milion kilometrów ponad powierzchnią Ziemi. Jego zdaniem, gdyby udało się namierzyć umiejscowienie takich "cebulek" włosów ciemnej materii, można byłoby wysłać w to miejsce sondy badawcze. Być może jeszcze lepszym pomysłem byłoby wysłanie aparatu na orbitę Jowisza, gdzie "włosy" ciemnej materii mogłyby być znacznie intensywniejszym zjawiskiem.
Z kolei według publikacji Ciarana O’Hare z uniwersytetu w Saragossie w Hiszpanii w "Physical Review D", Ziemię owiewa znacznie większy strumień ciemnej materii. Mowa o pasie oznaczonym S1 składającym się z 30 tysięcy gwiazd, który został odkryty w 2017 r. przez satelitę ESA Gaia. Uważa się, że są to "resztki galaktyki karłowatej, która została połknięta miliardy lat temu przez Drogę Mleczną". Według tego poglądu, ciemna materia "wieje" obok nas z prędkością około 500 km/s.
Ciemnej materii, jeśli przyjąć za dobrą monetę te spekulacje, ma być w naszej Galaktyce w bród. Są jednak takie galaktyki, w których nie ma jej w ogóle, o czym wiemy dopiero od niedawna.
Odkryta w 2018 r. rozproszona galaktyka NGC 1052-DF2 (2), oddalona o około 65 milionów lat świetlnych, jest przyćmiona i rozproszona, a jej masa wynosi około dwóch setnych masy naszej Drogi Mlecznej. Według danych znanych z innych obiektów tego typu, galaktyka izolowana, taka jak NGC1052-DF2, powinna mieć około stu razy więcej materii ciemnej niż zwykłej. Jej odkrywca, Pieter van Dokkum z Uniwersytetu Yale, nakreślił ze swoim zespołem kilka scenariuszy, które mogłyby wyjaśnić, w jaki sposób powstała i rozwinęła się ta galaktyka, ale sam przyznaje, że nie są one zbyt dobre. Wyjaśnienie procesu powstania galaktyki bez ciemnej materii jest wciąż sporym wyzwaniem.
Paradoksalnie jednak brak ciemnej materii w tej galaktyce można uznać za potwierdzenie jej istnienia w ogóle, a to wciąż nie jest przez każdego uznawane. Wszelkie alternatywne wobec ciemnej materii teorie wiążą się zwykle z modyfikacją grawitacji, czyli zakładają, że oddziaływania przypisywane ciemnej materii są niejako "konieczne" naukowo. Brak ciemnej materii w jednej z galaktyk wyklucza zgodnie z tą logiką grawitacyjne alternatywy.
Nie oddziałuje, ani sama ze sobą, ani z niczym innym
Szacuje się, że 26,8 proc. całej materii we Wszechświecie pozostaje niewidoczna jako coś, co nazywa się właśnie ciemną materią. Nie emitując żadnej dającej się wykryć energii, promieniowania elektromagnetycznego, które moglibyśmy wychwycić, oddziałuje wystarczająco silnie, aby utrzymać galaktyki w ryzach i w gromadach, powstrzymując je przed rozproszeniem się w kosmosie.
Stanowi zagadkę od lat 30. XX wieku, kiedy to astronomowie po raz pierwszy zdali sobie sprawę, że galaktyki potrzebują jakiegoś dodatkowego kleju grawitacyjnego, aby zachować spójność. Nikt nie wiedział, co to jest, więc użyto nazwy - ciemna materia. Naukowcy sądzą, że w bardzo wczesnym Wszechświecie ciemna materia dominowała jeszcze bardziej. "W tamtym czasie gęstość ciemnej materii była o 95 rzędów wielkości większa niż gęstość ciemnej energii", mówił Nicolao Fornengo z uniwersytetu w Turynie we Włoszech, w rozmowie z "New Scientist" kilka lat temu. Jednak gęstość ciemnej materii spadała wraz z rozszerzaniem się Wszechświata inaczej niż ciemnej energii, która rosła na znaczeniu, ale nie o niej tu piszemy.
Średnią gęstość ciemnej materii oceniamy dziś na podstawie symulacji komputerowych, w których istotną rolę odgrywają prędkości obiegu gwiazd wokół centrów galaktyk. Ciemna materia daje dominujący wkład do mas galaktyk, a zatem do wytwarzanego przez nie pola grawitacyjnego. Z kolei pole grawitacyjne decyduje o zależności prędkości obiegu gwiazdy od promienia jej orbity w galaktyce. Jest wręcz niezbędna do wyjaśnienia, dlaczego gwiazdy w zewnętrznych ramionach galaktyk orbitują tak szybko wokół ich centrów.
Obserwowane fluktuacje temperatury w kosmicznym mikrofalowym tle nie mogą być wyjaśnione bez ciemnej materii, a struktury tworzone przez galaktyki również nie "bronią się" bez ciemnej materii. Nawet gdyby wszystko to dało się wytłumaczyć modyfikacją grawitacji, a nie nieznanym rodzajem materii, to i tak musiałaby istnieć możliwość sformułowania modyfikacji teorii grawitacji w taki sposób, by wyglądała na nowy rodzaj materii. I nadal nazywalibyśmy ją ciemną materią.
Vera Rubin jest zwykle wiązana ze znalezieniem pierwszych dowodów na istnienie ciemnej materii. Nie była pierwsza, ale jako pierwsza dostrzegła jej znaczenie. Przed nią jeszcze w latach trzydziestych XX wieku Szwajcar Fritz Zwicky (3) zwrócił uwagę, że rój około tysiąca galaktyk, które są powiązane ze sobą grawitacyjnie w Gromadę Coma, porusza się zbyt szybko. Zbyt duże prędkości wskazywały już na to, że jest tam więcej masy, niż można było dostrzec. Jednak dopiero gdy Rubin zebrała swoje dane obserwacyjne, stało się jasne, że nie jest to cecha szczególna i wyjątkowa dla Gromady Coma, ale że ciemna materia musi być obecna w prawie wszystkich galaktykach i gromadach galaktyk.
Ciemna materia nie oddziałuje zbytnio sama ze sobą ani z niczym innym. Gdyby tak było, spowalniałaby i zbijała się w większe formacje, a to nie zgadzałoby się z danymi z obserwacji astronomicznych. Charakterystyczny przykład pochodzi z Gromady Pocisk, która w rzeczywistości składa się z dwóch gromad galaktyk, które przeszły przez siebie.
W gromadzie kulistej można wykryć zarówno rozkład zwykłej materii, głównie poprzez emisję promieniowania rentgenowskiego, jak i rozkład ciemnej materii poprzez soczewkowanie grawitacyjne (4). Dane te pokazują, że ciemna materia jest oderwana od materii widzialnej: Części gromad z ciemną materią wydają się przechodzić przez siebie niemal bez zakłóceń, podczas gdy materia widzialna została spowolniona, a jej kształt zauważalnie zniekształcony.
Ponieważ ciemna materia nie oddziałuje, jest pierwszym rodzajem materii, który "osiada", w miarę jak Wszechświat się rozszerza i pierwszym, który tworzy struktury pod wpływem własnego przyciągania grawitacyjnego. To właśnie ciemna materia jest zalążkiem włókien, wzdłuż których później formują się galaktyki, gdy widzialna materia wpada w potencjał grawitacyjny stworzony przez ciemną materię. Jeśli spojrzeć na jakąś komputerową symulację formowania się struktur, to prawie zawsze widać rozkład ciemnej materii, a nie materii widzialnej (5).
Ciemna materia nie tylko tworzy filamenty w skali nadgalaktycznej, ale również nie jest całkowicie gładko rozłożona w galaktykach - przynajmniej tak twierdzą najlepiej zbadane modele. Ciemna materia nie oddziałuje ze sobą na tyle, by tworzyć obiekty tak gęste jak planety, ale tworzy "aureole" o różnej gęstości, które przemieszczają się w galaktykach. Gęstość ciemnej materii generalnie rośnie w kierunku centrów galaktyk. Ponieważ ciemna materia nie obraca się z dyskiem gwiazd, który obserwujemy, układy słoneczne takie jak nasz nieustannie poruszają się w "wietrze" cząstek ciemnej materii.
Wiemy, że ciemna materia nie może być tworzona przez niewyraźne brązowe karły lub czarne dziury. Głównym powodem, dla którego to nie działa, jest to, że znamy całkowitą masę, jaką ciemna materia wnosi do galaktyki takiej jak nasza, i jest ona duża, około dziesięciu razy większa niż materia widzialna. Jeśli taka ilość masy pochodziłaby z czarnych dziur, powinniśmy stale obserwować przypadki soczewkowania grawitacyjnego - ale tak nie jest. Wiemy też, że neutrina (te, które znamy), mimo że słabo oddziałują, również nie mogą tworzyć ciemnej materii, ponieważ są zbyt lekkie i nie zbiłyby się wystarczająco mocno, by zasiać filamenty galaktyk.
Cząstki masywne lub lekkie, sterylne lub ciemne
Pomimo dziesięcioleci poszukiwań, nikt nigdy nie wykrył bezpośrednio cząstki ciemnej materii, a jedynym dowodem, jaki posiadamy, jest wciąż pośrednie wnioskowanie na podstawie przyciągania grawitacyjnego. Fizycy szukają oddziaływań proponowanych kandydatów na ciemną materię w wielu eksperymentach, począwszy już od lat 80. XX wieku. Poszukują również astrofizycznych dowodów na istnienie ciemnej materii, takich jak sygnały pochodzące z anihilacji cząstek ciemnej materii.
Zakładamy, że istnieje, ale nie wiemy dokładnie, z czego jest zbudowana.
W nauce jest na temat ciemnej materii wiele przypuszczeń, często "od ściany do ściany". Ciemna materia może być więc, jak się przypuszcza, zbudowana z jednego rodzaju cząstek lub wielu rodzajów. Cząstki te mogą być masywne i ciężkie lub delikatnie i lekkie. Sądzimy, że oddziałuje ona z inną materią (i samą ze sobą) jedynie przez grawitację, ale może się okazać, że ciemna materia oddziałuje za pomocą wszystkich znanych sił natury, znanych lub nieznanych. Biorąc pod uwagę wszystkie hipotezy, fizycy wyczarowali całkiem liczną gromadę kandydatur na ciemną materię.
Faworytem w wyścigu o miano "cząstki odpowiadającej za ciemną materię" były w ostatnim czasie konstrukty nazywane WIMP (od weakly interacting massive particle - słabo oddziałująca cząstka masywna). Po raz pierwszy zaproponowano je w 1985 roku jako uzupełnienie modeli supersymetrii. Przypuszczenia co do masy WIMP-ów wahają się w szerokim przedziale od jednego do tysiąca gigaelektronowoltów.
Według założeń WIMP-y oddziaływałyby z normalną materią, choć bardzo słabo. Wystarczyć to może jednak do tego, by można było je, teoretycznie przynajmniej, wykryć. Jak do tej pory nie wykryto jednak tego obiektu w żadnych badaniach, eksperymentach i obserwacjach. Pomimo wielu eksperymentów w 2016 i 2017 roku, wyniki poszukiwań WIMP-ów rozczarowały.
W maju 2018 r. instrument XENON1T (6) we Włoszech, największy z dotychczasowych projektów poszukiwań WIMP-ów, zgłosił, że nic nie znalazł. We wszystkich trzech najbardziej znanych eksperymentach gigantyczne pojemniki z ciekłym ksenonem służyły jako pułapki na ciemną materię. WIMP-y nie pojawiły się również w innych metodach detekcji. Teorie sugerują, że cząstki mogą od czasu do czasu niszczyć się nawzajem lub rozpadać, powodując emisję promieniowania gamma, ale poszukiwania nie znalazły na to dowodów. Wielu fizyków spodziewało się, że Wielki Zderzacz Hadronów będzie produkował ciężkie, nowe cząstki, w tym WIMP-y. Brak efektów poszukiwać sprawia, że niektórzy fizycy zaczęli kwestionować całą teorię supersymetrii.
Kolejny kandydat na "cząstkę ciemnej materii" to aksjon, zaproponowany jeszcze w 1977 roku. Nazwę należy przypisać fizykowi z MIT, Frankowi Wilczkowi, który wymyślił ją po tym, jak przypadkowo zobaczył na półce sklepowej detergent Axion, produkowany zresztą do dziś. Miałby być znacznie lżejszy niż WIMP, z masą sugerowaną na poziomie 0,000000000000001 GeV. Fizycy pierwotnie wymyślili tę cząstkę do rozwiązania pewnych problemów z silnym oddziaływaniem jądrowym, jedną z czterech podstawowych sił natury.
Okazało się, że aksjony pasują również do ciemnej materii. Założenie było takie, że powstający Wszechświat w Wielkim Wybuchu mógł wytworzyć aksjony w zawrotnej ilości, wystarczającej, aby utworzyć całą ciemną materię w kosmosie. "A ponieważ nie oddziałują one zbytnio z niczym innym, mamy całą tę resztę materii walającą się po Wszechświecie", skwitował w jednej z wypowiedzi fizyk z uniwersytetu w Waszyngtonie, Gray Rybka.
Aby wyłapać owe ulotne aksjony, naukowcy z Axion Dark Matter eXperiment na Uniwersytecie Waszyngtońskim (7) schłodzili cylinder do niemal zera absolutnego. Magnes znajdujący się wewnątrz wytwarza potężne pole magnetyczne, które, zgodnie z teorią, powinno przekształcić aksjony znajdujące się w pobliżu w standardowe fale radiowe. Aby wykryć te nieskończenie słabe sygnały, o mocy sięgającej miliardowych ułamków wata, ADMX posiada specjalnie zaprojektowane wzmacniacze. Jest to najczulszy odbiornik radiowy, jaki kiedykolwiek zbudowano.
Pod koniec lat 80. naukowcy mieli nadzieję, że MACHO - skupiska normalnej materii, które były po prostu niezbyt wyraźne i trudne do wykrycia, mogą wyjaśnić naturę ciemnej materii. Obiekty te miałyby obejmować planety, niedoszłe gwiazdy, a nawet czarne dziury. Niestety, modele Wielkiego Wybuchu nie są w stanie dać tyle materii, ile trzeba. Co gorsza, obserwacje konsekwentnie wykluczały istnienie ukrytych czarnych dziur, które powinny dać o sobie znać, gdy ich grawitacja ugina światło gwiazd tła.
Warto przy okazji omawiania kandydatur wspomnieć o hipotezie tzw. ciężkich neutrin, Model leptogenezy postuluje łamanie symetrii CP w rozpadach ciężkich cząstek sprzęgających się do neutrin ("lekkich" neutrin). Mechanizm huśtawki dostarcza nam ciężkich cząstek nazywanych ciężkimi neutrinami. Ciężkie neutrina są doskonałymi kandydatami na ciemną materię, jeśli tylko oczywiście istnieją. Bardziej znaną alternatywą dla koncepcji ciężkich neutrin jest hipoteza istnienia neutrina sterylnego.
Neutrino sterylne ma mieć masę 1 GeV i kiedyś było pomijane jako kandydat na ciemną materię. Jednak ostatnio powróciło do gry. Idea sterylnych neutrin zyskała na popularności, gdy w latach 90. eksperyment zarejestrował dziwny nadmiar jednego ze smaków neutrinowych, zwanego neutrinem elektronowym, w stosunku do dwóch pozostałych (obecnie znanych jako neutrina mionowe i taonowe). Cząstki te powinny występować w mniej więcej równych ilościach. Eksperymenty ujawniły ponadto, że neutrina spontanicznie zmieniają swój smak na inny, gdy przemieszczają się po Wszechświecie. Teoretycy twierdzili, że niektóre neutrina tymczasowo zmieniały smak na czwarty, sterylny, zanim "powracały" jako neutrina elektronowe.
Neutrin sterylnych (lub ciężkich) poszukuje detektor MiniBooNE w Fermilab, wypełniony 880 tonami oleju mineralnego i drobnymi czujnikami, detektor, który wykrywa słabe błyski światła, gdy neutrina uderzają w atomy oleju. W czerwcu 2018 r. drugi eksperyment MiniBooNE odkrył ten sam nadmiar jednego smaku, o którym była już mowa. Zakładając jednak, że sterylne neutrina okażą się faktem, nadal nie są one prawdopodobnie ani wystarczająco masywne, ani liczne, by odpowiadać za większość ciemnej materii. Jednak tak jak normalne neutrina występują w trzech smakach, tak samo może istnieć wiele rodzajów sterylnych neutrin, o różnych masach. A idąc o krok dalej, neutrina mogą nie być jedynym rodzajem cząstek, które mają swój sterylny odpowiednik.
Naukowcy żywią duże nadzieje, że zidentyfikowanie sterylnego neutrina otworzy drzwi do sfery nowej fizyki poza Modelem Standardowym, zwanej ciemnym sektorem, który jednocześnie będzie opisywać ciemną materię. W grę wchodziłyby ciemne fotony, ciemne gluony, ciemne kwarki i wiele innych. Wszystkie mogłyby składać się na to, co postrzegamy jako ciemną materię.
Są także inne, mniej znane na razie, koncepcje, np. silnie oddziałujące masywne cząstki (SIMP-y). To nieco nowsza rzecz, zaproponowana w 2014 r. Miałyby mieć masę około 0,1 GeV i być cząstkami złożonymi, zbudowanymi z innych, mniejszych cząstek. "SIMP jest bardzo podobny do cząstek, które już widzieliśmy", wyjaśnia Hitoshi Murayama, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, główny ich proponent. Fizyka cząstek zespolonych jest znana i ten stopień znajomości może sprawić, że SIMP-y będą łatwiejsze do wykrycia niż bardziej egzotyczni kandydaci na ciemną materię.
Symulacje komputerowe pokazują, że ze względu na grawitację WIMP-y powinny się zlepiać, tworząc gęste skupiska ciemnej materii w centrach galaktyk a także rozpadać się na kawałki w przestrzeni kosmicznej. Jednak obserwacje nie zgadzają się z tymi przewidywaniami. Galaktycznie, ciemna materia wydaje się zbyt równomiernie rozłożona. Wyniki te zdają się przemawiać za modelem SIMP. Także założenie, że powinno być ich wystarczająco dużo we Wszechświecie, by wyjaśnić całą ciemną materię, jest wsparciem dla tej koncepcji. Obecnie nadzieje na wykrycie SIMP-ów wiąże się z akceleratorami cząstek takimi jak SuperKEKB, który rozpoczął pracę w Japonii w kwietniu 2018 roku (8).
Jako alternatywę zarówno dla WIMP-ów, jak też SIMP-ów, fizycy wykoncypowali GIMP-y jako cząstki elementarne, które uwzględniają dodatkowy, piąty wymiar przestrzenny. Na razie nie widać jednak nawet pomysłu, jak można by wykrywać takie cząstki.
Ziemia jako detektor
Hermann Nicolai, dyrektor Instytutu Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka w Poczdamie i jego kolega Krzysztof Meissner z Uniwersytetu Warszawskiego zaproponowali nową, trzeba przyznać, niezwykłą kandydaturę na cząstkę ciemnej materii. Nazywają ją superciężkim grawitinem, które miałoby masę 0,02 miligrama. Jak na cząstkę elementarną grawitino takie byłoby prawdziwymi, gigantem z masą dziesięć bilionów razy większą niż masa protonu lub neutronu.
W swojej pracy Nicolai i Meissner nawiązują do starego pomysłu laureata Nagrody Nobla Murraya Gell-Manna, opartego na teorii "supergrawitacji N=8". Jednym z kluczowych elementów ich propozycji jest nowy typ symetrii z nieskończoną liczbą wymiarów.
Model oferuje nowego kandydata na tego typu cząstkę ciemnej materii, o zupełnie innych właściwościach niż wszystkie dotychczas omawiane kandydatury, takie jak aksjony czy WIMP. Jak wiadomo te hipotetyczne cząstki oddziałują bardzo słabo ze znaną materią. To samo dotyczyło bardzo lekkich grawitin, które były dawniej wielokrotnie proponowane jako kandydaci na ciemną materię w połączeniu z supersymetrią niskiej energii. Jednak propozycja Nicolaia i Meissnera idzie w zupełnie innym kierunku, w tym sensie, że nie przypisuje już głównej roli supersymetrii. Ich superciężkie grawitina, które - w przeciwieństwie do zwykłych kandydatów i w przeciwieństwie do wcześniej rozważanych lekkich grawitin - również oddziaływałyby silnie i elektromagnetycznie ze zwykłą materią.
Ich duża masa oznacza, że cząsteczki te mogą występować we Wszechświecie w dużym rozproszeniu. W przeciwnym razie "zamknęłyby" go i doprowadziły do jego wczesnego upadku. Według badaczy z Instytutu Maxa Plancka, aby wyjaśnić zawartość ciemnej materii we Wszechświecie, nie trzeba by było ich zbyt wiele - wystarczyłaby jedna cząstka na dziesięć tysięcy kilometrów sześciennych. Masa cząsteczki postulowanej przez Nicolaia i Meissnera leży w rejonie masy Plancka, czyli około setnej milionowej części kilograma, często nazywanej mają jaja pchły.
Grawitino, o którym mówią fizycy, ma być cząstką wyjątkową w swoim rodzaju, która nie tylko oddziałuje ze zwykłą materią grawitacyjnie, ale również elektromagnetycznie. Gdyby cząstka ta oddziaływała elektromagnetycznie z materią, oznaki tego moglibyśmy znaleźć nawet na Ziemi. Zatem uczeni zamierzają zmienić naszą planetę w jeden wielki detektor cząstek oraz wykorzystać 4,5 miliarda lat historii jej interakcji z hipotetycznymi cząstkami do ich wykrycia.
Cząstki grawitino, oddziałujące siłami elektromagnetycznymi ze zwykłą materią, muszą bowiem pozostawić po sobie ślady jonizacji np. w skałach jako defekty w strukturach krystalicznych. Ich silne i elektromagnetyczne oddziaływania ze znaną materią mogą sprawić, że te ciemne cząstki materii będą łatwiejsze do odnalezienia pomimo ich ekstremalnej rzadkości. Jedną z możliwości jest poszukiwanie ich za pomocą pomiarów czasu lotu w głębi Ziemi, ponieważ cząsteczki te poruszają się znacznie wolniej niż światło, w przeciwieństwie do zwykłych cząsteczek elementarnych pochodzących z promieniowania kosmicznego. Niemniej, przeniknęłyby one przez Ziemię bez wysiłku z powodu ich dużej masy, podobnej do kuli armatniej, której nie zatrzyma rój komarów. W procesie tym cząstki powinny pozostawić w skale długie, proste ślady jonizacji, ale może nie być łatwo odróżnić ich od śladów spowodowanych przez znane cząstki. "Wiadomo, że promieniowanie jonizujące powoduje wady sieci w strukturach krystalicznych. Możliwe jest wykrycie pozostałości takich śladów jonizacyjnych w kryształach, które pozostają stabilne przez miliony lat", mówi Hermann Nicolai.
Na marginesie - nazwisko Krzysztofa Meissnera nie jest jedynym "polskim śladem" w badaniach ciemnej materii. Kilka lat temu (2016) media na całym świecie informowały, że badacze z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu przeprowadzili pionierski eksperyment, wykorzystując optyczny zegar atomowy do poszukiwania i detekcji ciemnej materii. Wyniki badań ukazały się m.in. na łamach prestiżowego "Nature Astronomy".
Makra dziwnych kwarków i masa ujemna
Dopóki nie udało się nam wykryć ciemnej materii za pomocą instrumentów naukowych, wszelkie opinie na temat tego, czym ona jest, zaliczyć trzeba do spekulacji, nawet jeśli pochodzą z poważnych naukowych ośrodków i od wybitnych uczonych. Warto jednak czasem zwrócić na te spekulacje uwagę, bo pojawiają się wśród nich naprawdę niezwykłe koncepcje, takie jak ta pochodząca z amerykańskiego Uniwersytetu Case Western Reserve, a mówiąca o tym, że ciemna materia to nie "ciecz" kwantowa ani jakiekolwiek egzotyczne cząstki elementarne, tylko obiekty makroskopowe o rozmiarach niekiedy bliskim małym planetom.
Teoria ta, autorstwa fizyków Glenna Starkmana i Davida Jacobsa, przyjmuje, że owe hipotetyczne obiekty byłyby niezwykle gęste, podobne pod tym względem do znanych astrofizyce gwiazd neutronowych. Istnienie takich wielkich kul materii nie jest sprzeczne z fizycznym Modelem Standardowym. Z czego te "makra" (ang. "Macros" - termin ukuty przez twórców teorii) miałyby się składać? Starkman twierdzi, że mocnymi kandydatami na główny składnik tych kul są kwarki dziwne, cząstki nie tak wcale egzotyczne, a w każdym razie już znane i opisane przez fizykę. Ciemna materia tego rodzaju mogłaby występować w dużych ilościach nawet w bliskim sąsiedztwie Ziemi, a my jej nie zauważamy, głównie dlatego, że szukamy właśnie jej.
Do ogrodu zoologicznego teorii na temat ciemnej materii i nie tylko należy dodać także stosunkowo nową teorię, która proponuje unifikację ciemnej materii i ciemnej energii w jedną substancję - ciemny płyn o ujemnej masie; została ona w listopadzie 2018 r. opublikowana w "Astronomy & Astrophysics". "Uważamy, że zarówno ciemna materia, jak i ciemna energia mogą być traktowanie jako rodzaj substancji płynnej, charakteryzującej się czymś w rodzaju negatywnej grawitacji, czyli odpychającej całą otaczającą ją materię", wyjaśnił tę nową hipotezę w oświadczeniu autor publikacji dr Jamie Farnes z uniwersytetu w Oksfordzie. "Jako bonus, teoria wydaje się wyjaśniać nie tylko ciemną materię, ale również otrzymujemy możliwe rozwiązanie dla ciemnej energii - zasadniczo przy okazji. Wydaje się, że prosty znak minus może być w stanie rozwiązać dwa z największych problemów fizyki". Model został przetestowany przy użyciu symulacji Wszechświata i był w stanie stworzyć wirtualny kosmos, którego rozkład galaktyk kształtował się zgodnie z oczekiwaniami.
Sam pomysł nie jest tak nowy, zaś autor przytacza dawne prace Alberta Einsteina, Hermanna Bondiego i innych uczonych jako wsparcie dla swoich hipotez. W roku 1918 Einstein opisywał postulowaną przez siebie stałą kosmologiczną jako konieczną modyfikację swej teorii, "niezbędną, aby pusta przestrzeń mogła odgrywać we Wszechświecie rolę ujemnej grawitacji, a zarazem ujemnej masy rozproszonej po całym kosmosie".
Farnes twierdzi, że jest w stanie wyjaśnić za pomocą masy ujemnej spłaszczenie krzywych rotacji galaktyk, tworzenie się aureoli galaktycznej ciemnej materii, duże formacje takie jak włókna ciemnej materii łączące galaktyki, a nawet ostateczne losy Wszechświata (rozszerzałby się i kurczył cyklicznie). Jego artykuł, co istotne, dotyczy "unifikacji ciemnej materii i ciemnej energii". Obecność w przestrzeni postulowanej materii o ujemnej masie mogłaby zastąpić ciemną energię, jak również wyeliminować problemy, tłumaczone dotąd przez oddziaływanie ciemnej materii. Zamiast dwu enigmatycznych bytów pojawia się jeden. Na tym polega unifikacja, choć wciąż zdefiniowanie owej ujemnej masy nastręcza ogromne kłopoty.
Masa ujemna (9), choć jest pojęciem znanym w naukowym obiegu od co najmniej wieku, uznawana jest przez fizyków za coś egzotycznego głównie z powodu całkowitego braku obserwacji. Choć wielu dziwi, że grawitacja działa tylko jako przyciąganie, to jednak z braku dowodów na coś odwrotnego, nie proponują od razu masy ujemnej. A ta nie przyciągałaby, lecz odpychała, zgodnie z hipotetycznym "prawem powszechnego odpychania". Pozostając w sferze hipotetycznej, ciekawie robi się gdy masa zwykła, którą znamy, czyli "dodatnia", napotyka masę ujemną. Ciało o masie dodatniej przyciąga drugie o masie ujemnej, ale jednocześnie jest odpychane przez masę ujemną. Przy wartościach bezwzględnych zbliżonych do siebie skutkowałoby to podążaniem jednego obiektu za drugim. Jednak przy dużej różnicy wartości mas zachodziłyby inne zjawiska. np. newtonowskie jabłko o ujemnej masie spadłoby na Ziemię tak samo jak zwykłe jabłko, gdyż jego odpychanie nie mogłoby zniwelować przyciągania całej planety.
W koncepcji Farnesa zakłada się, że Wszechświat pełen jest "materii" o ujemnej masie, choć to niewłaściwe określenie, gdyż ze względu na odpychanie cząstek ta materia w żaden sposób nie daje o sobie znać, ani światłem, ani żadnym promieniowaniem. Jednak to odpychające działanie ujemnej masy wypełniającej przestrzeń "trzyma galaktyki w kupie", a nie ciemna materia.
Istnienie owego fluidu doskonałego o masie ujemnej tłumaczy też rozszerzanie Wszechświata bez konieczności powoływania się na ciemną energię. Spostrzegawczy od razu jednak zauważą, że gęstość owej cieczy doskonałej w ekspandującym Wszechświecie powinna spadać. Zatem spadać też powinna siła odpychania ujemnej masy, a to z kolei powodowałoby spadek tempa rozszerzania się Wszechświata, co jest sprzeczne z naszymi danymi obserwacyjnymi, o "rozlatywaniu się" galaktyk coraz słabiej duszonych przez odpychanie ujemnej masy nie wspominając.
Farnes ma na te problemy królika z kapelusza, czyli możliwość tworzenia nowej cieczy doskonałej w miarę ekspansji, co określane jest przez niego jako "tensor kreacji". Zgrabne, lecz niestety jest to rozwiązanie podobne do ciemnej materii i energii, której zbędność w obowiązujących modelach chciał wykazać młody uczony. Inaczej mówiąc, redukując niepotrzebne byty, wprowadza nowy byt, również o wątpliwej konieczności.
A może po prostu czegoś fundamentalnie nie rozumiemy
Oczywiście oprócz poszukiwań cząstek i zjawisk, które mogłyby wytłumaczyć ciemną materię, często spotyka się poglądy w ogóle kwestionujące jej istnienie. Pavel Kroupa, astrofizyk z uniwersytetu w Bonn w Niemczech, jest jednym z najbardziej znanych krytyków modelu ją przewidującego. Według niego, ciemna materia stała się dogmatem. Przytacza często zjawiska zachodzące w galaktykach, które nie mają sensu w przypadku ciemnej materii. Spędził ostatnie dwie dekady na rozwijaniu MOND, alternatywnej teorii Wszechświata. Naukowcy, którzy popierają ten model, uważają, że najbardziej tajemnicze aspekty kosmosu, te, które skłoniły astronomów do zaproponowania ciemnej materii i ciemnej energii, można z powodzeniem wyjaśnić za pomocą niewielkich modyfikacji praw Newtona opisujących grawitację. Jednak do tej pory symulacje komputerowe z zastosowaniem założeń MOND nie zdołały zbudować wirtualnych galaktyk, które wyglądałyby tak samo jak te, które widzimy.
To, co nazywamy ciemną materią może, zdaniem niektórych uczonych w rzeczywistości reprezentować kwantową próżnię, "substancję", która może stanowić zdecydowaną większość naszego Wszechświata.
Jeszcze inaczej proponuje nieporozumienie związane z ciemną materią ująć André Maeder, profesor Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE), w serii referatów opublikowanych w "The Astrophysical Journal". Jego zdaniem po prostu zapomnieliśmy włączyć do Modelu Standardowego inwersję skali. Przypomina teorie powszechnego ciążenia Newtona, ogólną względność Einsteina i mechanikę kwantową. "Tam istnieje hipoteza początkowa, która moim zdaniem nie została wzięta pod uwagę", pisze Maeder.
"Chodzi o to, że pusta przestrzeń i jej właściwości nie zmieniają się po rozszerzeniu lub skurczu. Gdyby to była prawda, zmieniłoby to wszystko, co wiemy o grawitacji i uniwersalnej ekspansji".
Einstein uważał, że puste przestrzenie oddziaływały przez to, co znane jest jako stała kosmologiczna. Dziś interpretowalibyśmy ją jako formę ciemnej energii. Model Maedera zamiast tego zawiera inwersję skali w pustej przestrzeni. Przetestował swoją hipotezę na przyspieszonej ekspansji przestrzeni i działało to bez potrzeby sięgania po ciemną energię. Zastosował ją również w gromadach galaktyk. Ich zachowanie było zgodne z obliczeniami Maedera.
W innym teście Maeder pokazał, że potrafi bez sięgania po ciemną materię wytłumaczyć, dlaczego gwiazdy znajdujące się w zewnętrznych rejonach galaktyk poruszają się szybciej niż te bliżej środka, co zwykle tłumaczy się grawitacyjnym działaniem ciemnej materii.
Wyniki Maedera wzbudziły kontrowersje.
Sabine Hossenfelder, znana fizyk z Instytutu Frankfurckiego, określiła hipotezę Maedera jako niespójną. Inni fizycy oskarżyli badacza o zawyżanie szacunków dotyczących masy. Pokazuje to m.in., że choć nie wiadomo czym jest ciemna materia, jej istnienie jest dość żarliwie bronione przez badaczy.
Bo ciemna materia to pojęcie pomimo całej tajemniczości i braku wyjaśnienia czym jest, całkiem nieźle utrwalone w systemie współczesnej nauki. Naukowcy stworzyli niedawno na podstawie danych obserwacyjnych nową, rozległą mapę (10), która analizuje, w jaki sposób struktury ciemnej materii powstawały w historii Wszechświata. Okazało się zresztą, że mapa taka równie dobrze co stan wiedzy obrazuje także stan niewiedzy naukowej.
"Widać z niej wyraźnie, że czegoś brakuje w naszym obecnym pojmowaniu Modelu Standardowego i ogólnej teorii względności", powiedział fizyk Instytutu Kavli Chiaki Hikage w komunikacie prasowym. On i jego koledzy przeanalizowali zdjęcia dziesięciu milionów galaktyk wykonane przy użyciu teleskopu Subaru na Hawajach, o rozdzielczości 870 megapikseli. Światło z niektórych galaktyk podróżowało przez miliardy lat, aby dotrzeć na Ziemię, co pozwoliło badaczom zebrać mapę ciemnej materii, począwszy od początków istnienia Wszechświata. Analizowali m.in., jak jej przyciąganie grawitacyjne zginało światło. Zwracają uwagę na zaskakujący ich zdaniem fakt, iż nowa mapa zdaje się sugerować, że ogromna struktura ciemnej materii we Wszechświecie kształtowała się wolniej, niż wcześniej sądzono. To wyniki, które, jak czytamy w komunikacie prasowym, "wydają się podważać obecne zrozumienie podstawowych praw fizyki".
"Im bardziej Puchatek zaglądał do środka, tym bardziej Prosiaczka tam nie było" - ten słynny cytat z książki Alana Alexandra Milne’a wydaje się idealnie pasować jako pointa rozważań o ciemnej materii i jej poszukiwaniach blisko i daleko. Wciąż zaglądamy, zakładając, że Prosiaczek jest czymś, co istnieje, jednak nie wiemy, kim a raczej czym jest Prosiaczek, co nie może nie frustrować.
Mirosław Usidus
