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” (niem. Dunkle Materie), 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.”

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.

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”.

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.

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