Kategoria: astrofizyka

Przez Wszechświat na złamanie karku, czyli Oh-My-God i Amaterasu

Piotr Gąsiorowski2 komentarze

Trzy dni temu świat obiegła wiadomość, że 27 maja 2021 r. detektor ulokowany w stanie Utah w USA, pracujący w ramach międzynarodowego projektu Telescope Array, wykrył cząstkę promieniowania kosmicznego o energii szacowanej na ok. 240 EeV. Było to najbardziej imponujące odkrycie tego typu od 1991 r., kiedy zaobserwowano cząstkę nazwaną Oh-My-God o energii jeszcze większej: 320 EeV. Po dwóch latach analizowania danych obserwację opublikowano 23 listopada 2023 r. w czasopiśmie Science. Cząstkę, która z takim impetem dała o sobie znać, nazwano imieniem  japońskiej bogini słońca Amaterasu, co można przetłumaczyć jako „świecąca na niebie”. Opisał ją bowiem zespół kierowany przez japońskiego astronoma Toshihiro Fujii z Uniwersytetu w Osace.

Co to właściwie jest EeV, czyli eksaelektronowolt?  Przedrostek eksa- dodany do nazwy jednostki oznacza pomnożenie wartości tej jednostki przez 1018, czyli przez trylion. A zatem jeden eksaelektronowolt to trylion elektronowoltów. Ale co to jest elektronowolt? Jednostką tą chętnie posługuje się fizyka cząstek, bo wszelkie swobodne cząstki naładowane elektrycznie mają ładunek stanowiący całkowitą (dodatnią lub ujemną) wielokrotność ładunku elementarnego e. Jest on równy ładunkowi protonu (+1 e), a także ładunkowi elektronu, tyle że ze znakiem przeciwnym (−1 e). Jeden elektronowolt to energia, jaką uzyskuje elektron lub proton przyśpieszany w próżni pod wpływem różnicy potencjału elektrycznego 1 V. W przeliczeniu na układ SI energia ta wydaje się znikoma: 1 eV = 1,6 × 10−19 J, czyli sześć razy mniej niż jedna trylionowa dżula. Ale pamiętajmy, że mówimy o cząstkach subatomowych, a w ich świecie coś, co wydaje nam się niemal nieskończenie małe, może się jednak liczyć.

Ryc. 1.

Żeby laikom trudniej było zrozumieć, o czym mówią fizycy, elektronowolt i jego pochodne (megaelektronowolt, gigaelektronowolt itd.) służą także do określania masy cząstek. Dlaczego, skoro są jednostkami energii? Dlatego, że masa i energia są z sobą związane wzorem Einsteina: E = mc2. Cząstka nawet w spoczynku (czyli nieporuszająca się względem obserwatora) posiada „uwięzioną” energię własną, utożsamianą z jej masą pomnożoną przez prędkość światła do kwadratu. A ponieważ fizycy lubią myśleć o stałej c jako o naturalnej jednostce (na dodatek wygodnej, bo światło ma tę samą prędkość w dowolnym układzie odniesienia), to podzieliwszy 1 eV przez c2, otrzymują jednostkę masy równoważną energii 1 elektronowolta. Masa ta w układzie SI ma wartość 1,783 × 10−36 kg, czyli bardzo mało (prawie miliard razy mniej niż masa protonu). Nieformalny skrót myślowy (potraktowanie wartości c jako jedności) pozwala także tę jednostkę masy nazywać elektronowoltem.

Na mocy tego uproszczenia mówi się na przykład, że masa elektronu wynosi ok. 0,511 MeV (czyli 511000 eV). Jeśli zależy nam na ścisłości, to powiemy, że masa ta wynosi naprawdę 0,511 MeV/c2 = 9,11 × 10−31 kg. Masa protonu to z kolei równoważnik ok. 938 MeV, czyli 1,67 × 10−27 kg.

Czym była cząstka Amaterasu? Nie wiadomo dokładnie, ale tzw. pierwotne promieniowanie kosmiczne, zanim zderzy się z atmosferą Ziemi i wygeneruje kaskady cząstek promieniowania wtórnego wykrywanych przez naziemne detektory, składa się w 90% z protonów. Oprócz nich 9% stanowią jądra helu 4He, czyli cząstki alfa (złożone z 2 protonów i 2 neutronów, niosące ładunek 2 e), a reszta (1%) to swobodne elektrony i jądra pierwiastków cięższych niż hel. Jest zatem dość prawdopodobne, że Amaterasu to po prostu proton rozpędzony tak szaleńczo, że jego energia kinetyczna (w układzie odniesienia związanym z Ziemią) wyniosła 240 trylionów elektronowoltów (256 miliardów razy więcej niż energia „spoczynkowa” równoważna jego masie).

Czy można tę energię jakoś unaocznić? Oczywiście. Ponieważ 1 eV to 1,6 × 10−19 J, łatwo przeliczyć energię Amaterasu na dżule. Wychodzi mniej więcej 38 J (a dla cząstki Oh-My-God aż 51 J). Jest to energia całkiem poważna. Piłka tenisowa ma masę ok. 56 g. Żeby jej nadać energię kinetyczną taką, jaką miała cząstka Amaterasu, trzeba ją rozpędzić do prędkości 37 m/s, czyli 133 km/h. Prędkość tego rzędu ma piłka zaserwowana z dużą siłą przez tenisistę. Pamiętajmy przy tym, że Amaterasu nie była piłką tenisową, ale protonem lub w najlepszym razie niezbyt wielkim jądrem atomowym (do żelaza włącznie). Za jej energię kinetyczną odpowiada nie masa, ale ogromna prędkość.

Jak nas uczy fizyka relatywistyczna, wzór na energię kinetyczną ciała o masie m poruszającego się z prędkością v, Ek = mv2/2, daje wynik zgodny z obserwacjami dla piłek tenisowych i innych obiektów poruszających się znacznie wolniej niż światło. Dla wielkich prędkości trzeba go zastąpić wzorem dokładniejszym, wynikającym z teorii względności. Całkowita energia ciała poruszającego się względem obserwatora z prędkością v wynosi E = mc2/√(1 – v2/c2) i rośnie nieograniczenie w miarę, jak v zbliża się do c. Od tej wartości powinniśmy odjąć energię spoczynkową (równoważnik masy) równą mc2, żeby otrzymać samą energię kinetyczną, czyli związaną z ruchem ciała. Ostatecznie mamy zatem wzór relatywistyczny na energię kinetyczną: Ek = (1/√(1 – v2/c2) − 1) mc2 (dla małych prędkości zbieżny ze wzorem klasycznym). Jednak dla prędkości naprawdę bliskich c składnik kinetyczny dominuje tak bardzo, że składnik spoczynkowy można z czystym sumieniem pominąć i przyjąć, że Ek ≈ E.

W innym wpisie pokazywałem, że Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) rozpędza protony do prędkości 0,99999999 c (względem ścian kolistego tunelu), czyli zaledwie 3,1 m/s poniżej prędkości światła. Wymaga to nadania każdemu protonowi energii 6,5 TeV, czyli 6,5 biliona elektronowoltów. To na razie szczyt możliwości ludzkich w tej dziedzinie. Energia Amaterasu była 37 milionów razy większa. Jaką prędkość musi mieć pojedynczy proton, żeby uzyskać energię kinetyczną piłki tenisowej zaserwowanej z dużym rozmachem? Z prostych obliczeń wychodzi 0,99999999999999999999999236 c. Jest to prawie prędkość światła, ale tylko prawie, bo z prędkością ściśle równą c mogą – a właściwie muszą się poruszać jedynie cząstki bezmasowe, niezdolne do pozostawania w spoczynku (takie jak foton). Różnica wynosi nieco ponad dwa femtometry (bilionowe części milimetra) na sekundę albo, jeśli kto woli, ok. 0,00007 mm na rok. Foton ścigający się z takim protonem wyprzedziłby go o 7 cm po milionie lat. Gdyby Amaterasu nie była protonem, ale np. jądrem żelaza o masie 56 razy większej, to różnica między jej prędkością a prędkością światła byłaby nieco większa, ale i tak znikoma.

Istnieje pewne teoretyczne ograniczenie na energię cząstki, która dociera na Ziemię z bardzo dalekich obszarów kosmosu (oddalonych o setki milionów lub miliardy lat świetlnych). Wynosi ono ok. 50 EeV. Cząstka o większej energii wytraciłaby w końcu jej część wskutek oddziaływania z fotonami mikrofalowego promieniowania tła. Wysnuwa się stąd wniosek, że cząstki kilkakrotnie przekraczające ten limit, takie jak Oh-My-God lub Amaterasu, musiały powstać stosunkowo blisko, np. kilkadziesiąt  milionów lat świetlnych od Ziemi. A ponieważ poruszają się one po torach niemal prostych, to można się pokusić o namierzenie na niebie ich źródła. Pomogłoby to wyjaśnić, jaki proces fizyczny wyprodukował takie kosmiczne monstra. Supernowa to za mało; bardziej prawdopodobnymi kandydatami byłyby dżety gorącej plazmy wyrzucane przez supermasywne czarne dziury w aktywnych jądrach galaktyk, a może kosmiczne kataklizmy w rodzaju rozerwania ciężkiej gwiazdy w kolizji z czarną dziurą.

Ryc. 2.

Obliczenia wskazały kierunek, z którego przybyła Amaterasu, ale ku zaskoczeniu zespołu odkrywców okazało się, że leży on w obrębie Pustki Lokalnej, „kosmicznej pustyni″ zaczynającej się nieopodal Grupy Lokalnej, do której należy Droga Mleczna. Jak okiem sięgnąć, nie widać tam nic szczególnego. Nie ma tam wielu galaktyk w odległościach mniejszych niż setki milionów lat świetlnych. Nawet zakładając, że pola magnetyczne w przestrzeni międzygalaktycznej mogą minimalnie zakrzywiać tory naładowanych cząstek ultraenergetycznych, i biorąc pod uwagę stosowne poprawki, nie znaleziono obiecujących kandydatów na potencjalne źródło Amaterasu. Podejrzenie, że cząstki tego typu powstają w jakichś egzotycznych procesach wymagających zrewidowania podstaw fizyki, jest ekscytujące, ale zapewne przedwczesne.

Cząstki o energii powyżej 100 EeV są skrajnie rzadkie. Szacuje się, że w każdy kilometr kwadratowy Ziemi jedna taka cząstka uderza rzadziej niż raz na sto lat. Od czasu do czasu udaje się je wykryć dzięki temu, że obserwatoria pokrywają spory obszar – ponad 700 km2 w przypadku Telescope Array. Częstsze są cząstki nieco mniej rozpędzone, ale i tak przekraczające wspomniany powyżej limit 50 EeV; zaobserwowano ich dotąd kilkadziesiąt. Rozbudowa sieci detektorów być może zwielokrotni liczbę obserwacji na tyle, że rzucą one jakieś światło na pochodzenie tych ekstremalnych składników promieniowania kosmicznego.

Opisy ilustracji

Ryc. 1: Jeden z detektorów systemu Telescope Array w stanie Utah. Źródło: Abu-Zayyad et. al. 2012 (licencja CC BY-NC-ND 3.0).
Ryc. 2: Ograniczenie Greisena–Zacepina–Kuźmina (GZK), sformułowane w 1966 r.: cząstki promieniowania kosmicznego pochodzące z bardzo dalekich źródeł nie powinny przekraczać energii 50 EeV, czyli około 8 dżuli.

Lektura dodatkowa

Omówienie artykułu z Science na łamach Nature: https://www.nature.com/articles/d41586-023-03677-0
Zagadka cząstek typu Amaterasu: https://arstechnica.com/science/2023/11/meet-amaterasu-astronomers-detect-highest-energy-cosmic-ray-since-1991/

Niezwykłe odkrycie w rozbłysku gamma

Mirosław Dworniczak2 komentarze

25 października 2023 roku NASA ogłosiła, że odkryto tellur. No dobrze, nie tyle odkryto (bo odkryty został na Ziemi już w XVIII w.), co zidentyfikowano podczas badań kosmicznych. I to odkrycie ma naprawdę duże znaczenie.

Skąd się wzięły pierwiastki chemiczne

Ale zacznijmy od tego, dlaczego ta informacja jest bardzo istotna. Musimy się cofnąć o niemal 14 mld lat, do czasu, w którym dopiero zaczęły powstawać pierwiastki chemiczne. Na samym początku powstało jądro wodoru, najprostszego z pierwiastków, składające się z jednej cząstki, protonu. Kolejnym był hel (2 protony + 2 neutrony). W kolejnym etapie tzw. pierwotnej nukleosyntezy (tworzenia jąder atomowych) powstawały następne jądra – deuteru i litu. Następnie mamy reakcje „spalania” wodoru – oczywiście nie jest to spalanie takie, jakie znamy z reakcji wodoru z tlenem (tlenu przecież jeszcze nie ma!). Powstają wtedy jądra takich pierwiastków, jak węgiel, azot, tlen itd. – aż do żelaza (Fe). I tu kończy się to, co produkują zwykłe gwiazdy. Nie są w stanie wyprodukować żadnego cięższego atomu. No dobrze, ale przecież wiemy, że na Ziemi (i w kosmosie) mamy sporo pierwiastków cięższych niż żelazo. Skąd one się wzięły?

W skrócie: gwiazda, która się wypaliła zaczyna zapadać się grawitacyjnie pod własnym ciężarem. W jej centrum jest sporo żelaza, dalej są lżejsze pierwiastki, takie jak krzem (Si), tlen (O), neon (Ne), aż do wodoru. Ciśnienie wewnątrz rośnie do niewyobrażalnych wartości i w końcu ten kosmiczny tygiel eksploduje. Jest to niesamowite zjawisko, które znamy jako supernową. Obserwujemy gwałtowny wzrost jasności gwiazdy, po czym ona szybko gaśnie – przestaje być widoczna, ale pozostaje po niej efektowna mgławica. Ciśnienie przed eksplozją powoduje wydzielenie się neutronów, które łączą się z jądrami żelaza, dając początek cięższym pierwiastkom. Nazywamy go „procesem r” (rapid – szybki), ponieważ biorą w nim udział szybkie neutrony. Po ich pochłonięciu następuje szereg emisji elektronów, co przesuwa powstające jądro w prawo w układzie okresowym. Kilka zdań o tym procesie napisał Lucas

No i to w zasadzie wszystko – ugotowane w kosmicznym tyglu pierwiastki rozprzestrzeniają się w kosmosie, docierając czasem bardzo daleko. Teoria tych przemian została rozpracowana kilkadziesiąt lat temu przez kilku znaczących astrofizyków. Powtarzam: to była teoria, a, jak wiemy, papier wszystko wytrzyma. A dowody eksperymentalne? No właśnie – z tym był problem. Nie bardzo się da w laboratorium ziemskim stworzyć gwiazdę, spowodować jej przekształcenie w supernową i zrobić analizę tego, co się wydzieli. Do supernowej też nie polecimy, bo jest za daleko. Ale już wiele lat temu panowie Kirchhoff i Bunsen wpadli na pomysł, jak można zdalnie analizować światło emitowane przez obiekty kosmiczne. Pisałem o tym tutaj. Niemieccy fizycy oczywiście obserwowali światło widzialne, ponieważ w owym czasie nie zdawano sobie jeszcze sprawy z tego, że jesteśmy cały czas bombardowani promieniowaniem elektromagnetycznym o znacznie szerszym zakresie fal. Dziś już całkiem dobrze potrafimy je wykrywać i analizować. Od jakiegoś czasu astrofizyka coraz częściej sięga do obserwacji promieniowania gamma. Jest to silne promieniowanie elektromagnetyczne, niosące olbrzymią energię. Astronomowie zajmujący się tym promieniowaniem wyodrębnili osobną dziedzinę nauki, astronomię promieniowania gamma. Niestety, obserwacji nie da się prowadzić z powierzchni Ziemi, ponieważ atmosfera skutecznie je pochłania. Na szczęcie można wykorzystać do tego celu balony oraz rozmaite obserwatoria kosmiczne.

Rozbłyski gamma

W 1967 roku amerykański satelita wojskowy zarejestrował błysk promieniowania gamma. Wczesne analizy zakładały, że był on efektem próby jądrowej na terytorium ZSRR. Kolejne badania pokazały jednak, że nie pochodzą one ze źródeł ziemskich ani też z Układu Słonecznego. Kluczem tu jest izotropowość tych rozbłysków, czyli to, że dochodzą one do Ziemi dokładnie z wszystkich kierunków przestrzeni kosmicznej, jak promieniowanie reliktowe. Gdyby natomiast GRB pochodziły z bliska, tzn. z wyłącznie z Układu Słonecznego, rejestrowano by ich więcej w płaszczyźnie układu/dysku

Dziś rozbłyski gamma są wykrywane przez wiele teleskopów, głównie tych, które znajdują się w kosmosie. Są to gigantyczne wyrzuty wysokoenergetycznego promieniowania, a więc muszą pochodzić z bardzo wielkich zdarzeń kosmicznych. Zwykle jest to albo zderzenie gwiazd neutronowych albo takiej gwiazdy z czarną dziurą. Rozróżniamy rozbłyski krótkie (do 2 s), długie (powyżej 2 s) oraz bardzo długie (powyżej 10 tys. s). Najczęściej rejestrowane są rozbłyski długie.

Do gry wchodzi teleskop Jamesa Webba

Pod koniec października NASA opublikowała informację, że zespół kilku teleskopów, w tym James Webb Telescope oraz Fermi Gamma Ray Telescope, w marcu 2023 r. zarejestrował bardzo silny rozbłysk gamma, który oznaczono jako GRB 230307A.

Obraz rozbłysku GRB 230307A – to jest ta mała czerwona kropka po lewej. Z prawej galaktyka, z której “urwały się” gwiazdy

Dokładna analiza pokazała, że rozbłysk pochodził ze zderzenia dwóch gwiazd neutronowych odległych od Ziemi o ok. 1 mld lat świetlnych. Jak do tego doszło? Dawno, dawno temu w odległej galaktyce (tak, wiem, skąd ten cytat) para gwiazd się zbuntowała i odleciała. Gdy znalazły się w odległości ok. 120 tys. lat świetlnych od macierzystej galaktyki, nastąpiło między nimi gwałtowne zderzenie. Spowodowało ono emisję promieniowania gamma milion razy silniejszą niż całe światło Drogi Mlecznej. Zjawisko to znane jest pod nazwą „kilonowa”, ponieważ wydzielona energia odpowiada mocy tysiąca zwykłych nowych. Pierwsze teoretyczne modele tego zjawiska opracował polski astronom, Bohdan Paczyński (dalej będzie trochę o nim).

Po +/- miliardzie lat promieniowanie to dotarło do Ziemi i zostało zarejestrowane. Cała obserwacja trwała ok. 200 s. Uzyskano wiele bardzo interesujących danych, z których za najważniejszą uznano potwierdzenie obecności w pozostałościach po gigantycznym wybuchu śladów telluru, pierwiastka znacznie cięższego niż żelazo. Jest to dość rzadki pierwiastek, w układzie okresowym znajdziemy go w grupie tlenowców, pomiędzy selenem i polonem.

Widmo emisyjne kilonowej – schodkowe dane są z teleskopu Webb, czerwona linia to model widma emisyjnego. Powierzchnia pod krzywą (czerwona) wskazuje na obecność telluru.

Źródło: NASA, licencja:  domena publiczna, NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Powstał on najprawdopodobniej w procesie r, który opisałem powyżej. To, że uzyskano takie właśnie dane, zawdzięczamy właśnie teleskopowi Webba. Część danych wskazuje, że są tam też obecne cięższe pierwiastki – lantanowce i aktynowce, ale to jeszcze wymaga solidnego potwierdzenia. Badacze uważają, że analizy kolejnych rozbłysków gamma pozwolą na wykrycie kolejnych ciężkich pierwiastków, co przyczyni się do doświadczalnego potwierdzenia, że właśnie proces r odpowiada za nukleosyntezę jąder cięższych od żelaza.

Swoistą ciekawostką jest to, że wykryto właśnie tellur, pierwiastek, którego nazwa pochodzi od łacińskiego „tellus”, co oznacza ziemię. W skorupie ziemskiej jest go zaledwie 5 ppb (części na miliard) i oczywiście każdy z atomów powstał gdzieś daleko podczas eksplozji lub zderzeń gwiazd.

Myślę, że niebawem dostaniemy wiele więcej informacji, nie tylko z tego rozbłysku, ale też z innych, które są obecnie analizowane.

Bohdan Paczyński (1940-2007)

źródło: wikimedia, licencja: CC BY SA 3.0

Jeśli spytalibyśmy ludzi o wybitnych polskich astronomów, zapewne padłoby nazwisko Kopernika. Ktoś pewnie wspomniałby jeszcze Aleksandra Wolszczana, pierwszego odkrywcę egzoplanety. I tyle. Tymczasem Bohdan Paczyński wielokrotnie był wymieniany jako kandydat do Nobla. Niesamowicie błyskotliwy pierwszy artykuł naukowy opublikował w wieku 18 lat, doktorat obronił w wieku 24, a tytuł profesorski otrzymał w wieku lat 34. Gdy miał 36 lat, został najmłodszym członkiem PAN. Zajmował się wieloma zagadnieniami, w tym właśnie rozbłyskami gamma. Od 1981 roku pracował w Princeton. Jego hipoteza o tym, że rozbłyski gamma pochodzą spoza naszej galaktyki, była przez lata ignorowana, dopiero po jakimś czasie zaczęła zyskiwać popularność. Dziś wiemy, że miał w 100% rację. Szkoda, że nie dane mu było dożyć odkryć z ostatnich lat. Zmarł w 2007 roku, po kilkuletniej walce z glejakiem mózgu.

Literatura dodatkowa

Doniesienie NASA o odkryciach

Bardzo długie rozbłyski gamma

O powstawaniu ciężkich pierwiastków chemicznych

Ciemna materia, czyli królowa jest naga

Wiesław Seweryn3 komentarze

Niewiele wiemy o ciemnej materii, właściwie tylko tyle, że musi istnieć, aby podstawowe prawa fizyki działały tak, jak powinny.

Wiadomo, że każda masa wytwarza pole grawitacyjne oddziałujące na wszystkie inne masy we Wszechświecie, także galaktyki i gromady galaktyk. I właśnie zaobserwowane anomalie ruchu tych obiektów zaburzyły spokojny sen fizyków. Okazało się, że oszacowana (dość dokładnie) masa galaktyki podstawiona do równań ruchu, przy zmierzonej prędkości obrotowej, jest dalece niewystarczająca, aby utrzymać jej spójność. Ruch obrotowy powinien rozproszyć gwiazdy na wszystkie strony, ponieważ siła grawitacji przeciwstawna sile odśrodkowej jest niewystarczająca. Dalece niewystarczająca. Tak dalece, że równania ruchu stabilizowałyby galaktykę dopiero przy kilkukrotnym zwiększeniu jej masy. Problem w tym, że tajemnicza substancja jest całkowicie niewykrywalna przez jakiekolwiek detektory.

Materia, którą znamy, jest tak zwaną materią barionową, czyli składa się z protonów, neutronów i elektronów. Drogą dedukcji wnioskujemy więc, że ciemna materia jest materią niebarionową. Ale czym konkretnie? Istnieje wiele hipotez, jedną z nich są WIMPS (ang. Weakly Interacting Massive Particles), czyli słabo oddziałujące masywne cząstki o masie 10-100 razy większej od masy protonu i reagujące z „normalną” materią tylko za pośrednictwem oddziaływań słabych i grawitacyjnych. Na przykład hipotetyczne neutralino, o wiele cięższe od neutrina i podobnie słabo wykrywalne. Problem w tym, że neutralino nie zostało jeszcze odkryte, ba, nie przewiduje go żadna teoria. Drugim kandydatem jest sterylne neutrino, czwarty, hipotetyczny rodzaj neutrina (znamy trzy rodzaje mające pokrycie w Modelu Standardowym: neutrino elektronowe, mionowe i taonowe). Zarówno neutralino jak i neutrino oddziałuje z materią tylko przez grawitację, a z tą mamy podstawowy problem – Model Standardowy nie ujmuje grawitacji jako oddziaływania. Pozostali kandydaci na budulec ciemnej materii to aksjon i “ciemny” foton (też cząstki hipotetyczne). Antymaterię, jako byt skrajnie reaktywny i agresywny wobec materii klasycznej, możemy już na starcie odrzucić.

Desperacja naukowców w poszukiwaniu ciemnej materii osiągnęła taki poziom, że bierze się nawet pod uwagę, iż prawo powszechnego ciążenia Newtona, a nawet ogólna teoria względności nie obowiązują w skali galaktycznej. Są nawet konkretne propozycje zmodyfikowania dynamiki Newtona lub OTW, aby pasowały do obserwacji. Jedno, co wiemy o ciemnej materii, to to, że ma masę, ponieważ wytwarza pole grawitacyjne. Drugie, że porusza się znacznie wolniej od światła.

Trochę historii

Autorem koncepcji ciemnej materii jest Fritz Zwicky, który odkrył anomalie w ruchu galaktyk w obrębie gromady galaktyk. Galaktyki poruszały się zbyt szybko jak na masę, którą posiadały, a gromada się nie rozpadała. Aby wytłumaczyć tę nienormalność, zaproponował istnienie „ciemnej materii”, której oddziaływanie grawitacyjne miało dostosować obserwacje do równań ruchu. Zwicky był uznanym, wielce kreatywnym w swoich pomysłach astronomem. Dość powiedzieć, że jest odkrywcą 120 supernowych, wymyślił i upowszechnił nazwę „supernowa”, pierwszy odkrył gwiazdę neutronową i opisał zjawisko soczewkowania grawitacyjnego.

Istnienie i oddziaływanie ciemnej materii w obrębie jednej galaktyki odkryła Vera Cooper Rubin, amerykańska astronom(-ka). Pod koniec lat osiemdziesiątych XX. wieku obserwując ruch wirowy Galaktyki Andromedy zauważyła, że materia galaktyki bardziej odległa od centrum porusza się równie szybko jak obiekty leżące bliżej środka. Jedynym wytłumaczeniem było istnienie nieznanej i niewidocznej ciemnej materii na jej obrzeżach. Odkrycie Rubin zasługiwało na Nobla, niestety, była kobietą i Nobla nie dostała. Decyzje Komitetu Noblowskiego bywały w przeszłości dość kontrowersyjne. Także Mirosław Dworniczak pisał o pomyłkach Komitetu Noblowskiego. Zachęcam też do lektury tekstów o kobietach w nauce: część 1, część 2, część 3.
O wadze odkrycia Very Rubin i nienagrodzeniu jej Noblem wypowiedziała się amerykańska astronom(-ka) Emily Levesque:
„Istnienie ciemnej materii całkowicie zrewolucjonizowało naszą koncepcję wszechświata […]; ciągłe wysiłki mające na celu zrozumienie roli ciemnej materii doprowadziły do powstania całych dziedzin nauki w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych. W testamencie Alfreda Nobla nagroda z fizyki jest uznawana za „najważniejsze odkrycie”. Jeśli ciemna materia nie pasuje do tego opisu, to nie wiem, co będzie.”

Ryc. 1 Vera Rubin. Źródło: [4]

Poszukiwania

Trwają (na razie bezskuteczne).

Pomysł 1. Skoro cząstki ciemnej materii są wielokrotnie cięższe od protonu, to w zderzeniu ze zwykłą materią powinny zostawiać ślad, na przykład wyżłobienie w skale. Dotychczas nie trafiono na żaden ślad tego typu.

Pomysł 2. (rokujący) Skupiska ciemnej materii powinny zaginać światło, czyli tworzyć soczewki grawitacyjne. I rzeczywiście, odnaleziono wiele miejsc, gdzie występuje mikrosoczewkowanie grawitacyjne pomimo braku skupisk materii. W 2016 roku zespół kierowany przez Van Dokkuma odkrył galaktykę zwaną Dragonfly 44, która wydaje się składać prawie wyłącznie z ciemnej materii. Z drugiej strony od 2018 roku astronomowie odkryli kilka galaktyk, które wydają się całkowicie pozbawione ciemnej materii.

Pomysł 3. Budowa bardziej czułych detektorów neutrin. Pod powierzchnią Antarktydy zbudowano wielki detektor neutrin Neutrino IceCube, którego zadaniem jest upolowanie sterylnego neutrino. Na razie bez powodzenia.

Ryc. 2 Schemat detektora IceCube. Licencja: Wikimedia Commons

Pomysł 4. Eksperymenty nakierowane na wykrycie cząstek ciemnej materii w najpotężniejszych zderzaczach cząstek. Badania tego typu są prowadzone w CERN-owskim Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Pomysł 5. Obserwacje w zakresie promieniowania gamma. Teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope należący do NASA stworzył gamma-mapę jądra Drogi Mlecznej. Potwierdził tym samym nadmiar promieniowania gamma w tym obszarze. Obserwacje te przeczą przewidywaniom naukowym, za to są zgodne z niektórymi modelami uwzględniającymi ciemną materię.

Pomysł 6. Kosmiczny teleskop Jamesa Webba, obserwujący Kosmos w zakresie promieniowania podczerwonego, a tym samym mogący zajrzeć głębiej „wgłąb czasu”, bliżej momentu Wielkiego Wybuchu, może przyjrzeć się wczesnej ewolucji galaktyk. Bo od anomalii ruchu galaktyk wszystko się zaczęło.

Pomysł 7. Misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej zaprojektowana specjalnie w celu poszukiwań ciemnej materii. Misja ma na celu dokładne zmapowanie materii Wszechświata, a w szczególności rozmieszczenie galaktyk.

Pomysł 8. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła. Sonda Planck spędziła w punkcie Lagrange’a kilka lat na dokładnym mapowaniu mikrofalowego promieniowania tła, które jest pozostałością po Wielkim Wybuchu. Wykryte niejednorodności dostarczyły pewnych wskazówek co do rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie.

Pomysł 9. Badanie promieni kosmicznych. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej umieszczono spektrometr magnetyczny alfa (AMS), wykrywający antymaterię.
„Zarejestrowaliśmy nadmiar pozytonów i ten nadmiar może pochodzić z ciemnej materii” – powiedział Samuel Ting, laureat Nagrody Nobla z Massachusetts Institute of Technology. „Ale w tej chwili nadal potrzebujemy więcej danych, aby upewnić się, że pochodzi ona z ciemnej materii, a nie z jakichś dziwnych źródeł. To zajmie nam jeszcze kilka lat”.

Pomysł 10. Poszukiwania śladów zderzenia cząstek WIMP z atomami ksenonu. Eksperymenty takie przeprowadzono w Południowej Dakocie (projekt LUX) i we Włoszech (LNGS XENON1T). Jak dotychczas niczego nie wykryto.

Trochę liczb

Szacunki co do ilości i rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie pozwalają na pewne projekcje w stosunku do skali ziemskiej. Na podstawie ruchu ziemskich satelitów szacuje się, że masa Ziemi jest o około 0,005-0,006% większa niż dotychczas zakładaliśmy.

Według ostatnich szacunków Wszechświat w 68% składa się z ciemnej energii, 27% to ciemna materia, a pozostałe 5% to normalna materia (obserwowalna). Takie proporcje zmuszają więc do zastanowienia się, która materia jest „normalna”, a która „nienormalna”.

Ryc. 3 Rozmieszczenie galaktyk przypomina sieć z węzłami. Źródło: [1]

Jakie mamy teorie związane z ciemną materią?

Mamy wiele teorii, wszak wyobraźnia nasza jest nieograniczona, a ciemna energia i ciemna materia mogą służyć jako zapchajdziury wszędzie tam, gdzie klasyczne teorie są niewystarczające.

Teoria 1. Ciemna energia jest właściwością przestrzeni. Wiadomo przecież, że pusta (w sensie pustki absolutnej) przestrzeń nie istnieje. Jedna z wersji teorii grawitacji Einsteina, ta zawierająca stałą kosmologiczną, mówi, że „pusta przestrzeń” może posiadać własną energię. Ponieważ energia ta jest właściwością samej przestrzeni, nie ulega rozrzedzeniu w miarę jej rozszerzania się. W miarę jak pojawia się coraz więcej przestrzeni, pojawia się więcej tej energii przestrzeni. W rezultacie ta forma energii spowodowałaby coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata. Stała kosmologiczna, pomysł Einsteina na coraz szybszą ekspansję Wszechświata, przez kilkadziesiąt lat była krytykowana jako nie mająca podstaw teoretycznych. Dopiero w ostatnich latach wróciła do łask i może być pośmiertnym tryumfem Einsteina i jego wkładem w nowoczesną kosmologię.

Ryc. 4 Tempo ekspansji Wszechświata jest coraz szybsze; oczywiście za sprawą ciemnej energii.
Źródło: [3]

Teoria 2. Innym wyjaśnieniem ciemnej energii jest założenie, że jest to nowy rodzaj dynamicznego pola energii wypełniającego całą przestrzeń, którego wpływ na ekspansję wszechświata jest odwrotny do wpływu materii i normalnej energii. Niektórzy teoretycy nazwali to „kwintesencją”, czymś na kształt piątego elementu greckich filozofów.
Teoria 3. Teoria grawitacji Einsteina nie jest poprawna. Czy rozwiązaniem problemu ciemnej energii jest nowa teoria grawitacji?

Podsumowanie

Podsumowanie jest bardzo krótkie: wiemy, że nic nie wiemy, nie wiemy gdzie szukać, nie mamy oparcia w żadnej teorii, szukamy na oślep. Ciemna materia i ciemna energia są największą zagadką kosmologii. Wiemy tylko tyle, że jest coś na rzeczy.

Źródła:

  1. “Czym jest ciemna materia” https://www.space.com/20930-dark-matter.html
  2. “Ciemna materia jak na razie poza granicami naszego poznania” https://mlodytechnik.pl/technika/28680-ciemna-materia-jak-na-razie-poza-granicami-naszego-poznania
  3. “Ciemna energia, ciemna materia” https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
  4. “Jak Vera Rubin potwierdziła istnienie ciemnej materii” https://www.astronomy.com/science/how-vera-rubin-confirmed-dark-matter/
  5. Wikipedia