Ciemna materia. Tajemnica tajemnic współczesnej fizykiPiotr Cieśliński
Jest Świętym Graalem fizyków. Zagadką, na której najwięksi geniusze łamią sobie zęby. Otacza nas ze wszystkich stron i - jak podejrzewamy - przenika przez nasze ciała, ale nie potrafimy jej wykryć.
Zarówno my jesteśmy dla niej przezroczyści, jak i ona jest przezroczysta dla nas. Nie mamy pojęcia, z czego się składa, choć od lat tropimy ją na Ziemi i w kosmosie. A może wcale jej nie ma? Może jest jak XIX-wieczny eter, który miał przenikać całą przestrzeń, a okazał się po prostu fatamorganą? Odpowiedź na to pytanie godna jest Nobla i z całą pewnością przyczyni się do wielkiej rewolucji w fizyce.
Amerykański noblista Frank Wilczek mówił mi, że gdyby ułożyć listę największych nierozwiązanych problemów w fizyce, to ciemna materia znalazłaby się na pierwszym miejscu.
Znana materia - 4,9 proc.
Na te 4,9 proc. składa się:
WODÓR: 74 proc. Najpowszechniejszy pierwiastek chemiczny we Wszechświecie, podstawowy budulec gwiazd.
HEL: 24 proc. Powstał wraz z wodorem (i śladowymi ilościami deuteru oraz litu) w pierwszych trzech minutach po Wielkim Wybuchu.
CIĘŻSZE PIERWIASTKI: 1,9 proc. Tlen, wegiel, neon, żelazo, azot, krzem, magnez, siarka... Te i inne pierwiastki z tablicy Mendelejewa są odpadem z ewolucji gwiazd.
NEUTRINA: 0,1 proc. Najliczniejsze (obok fotonów światła) cząstki w kosmosie - jest ich średnio 300 mln w każdym metrze sześciennym. Ale są bardzo lekkie.
Dziwadło, w które nikt nie wierzy
Na pierwszy ślad tego świata cieni wpadł w roku 1933 r. Fritz Zwicky, szwajcarski uczony, jeden z najbardziej oryginalnych astrofizyków zeszłego stulecia, który mierzył prędkości ruchu galaktyk w gromadzie Coma w konstelacji Warkocz Bereniki. Próbował zrozumieć, co sprawia, że to zgrupowanie ponad tysiąca galaktyk trzyma się razem, choć wirują wokół siebie z wielkimi prędkościami - średnio 1 tys. km na sekundę.
Każdy, kto kręcił się na karuzeli w wesołym miasteczku, wie, że gdyby siodełko urwało się z łańcucha, to zamiast kręcić się w koło, poleciałoby w siną dal. W gromadzie galaktyk takim łańcuchem jest siła grawitacji.
Z pomiarów Zwicky'ego wynikało jednak, że galaktyki poruszają się tak szybko, że już dawno powinny się urwać z uwięzi grawitacji, a cała gromada - rozlecieć we wszystkie strony.
Zwicky uznał, że w tej gromadzie musi być coś więcej poza widocznymi gwiazdami. Przez teleskopy widać tylko to, co świeci, więc ten hipotetyczny niewidoczny element ochrzcił mianem "ciemnej materii". Jego hipoteza była wtedy ledwie astronomiczną egzotyką, dziwadłem, w które tak naprawdę nikt nie wierzył.
Ale po raz kolejny tajemnicza materia dała o sobie znać w latach 70. zeszłego wieku, gdy wyniki pomiarów ruchu gwiazd opublikowała Vera Rubin z Carnegie Institution w Waszyngtonie. Rubin zmierzyła prędkość gwiazd na obrzeżach Wielkiej Mgławicy Andromedy, galaktyki porównywalnej z Drogą Mleczną. Spodziewała się, że podobnie jak planety w Układzie Słonecznym gwiazdy bardziej oddalone od masywnego centrum poruszają się wolniej. Ze zdziwieniem jednak odkryła, że prędkość bliższych i dalszych gwiazd jest taka sama. Potem Rubin zmierzyła jeszcze krzywe rotacji ponad 200 innych galaktyk. Rezultaty wskazywały na to, że gwiazdy "czują" grawitacyjne przyciąganie czegoś, co jest rozleglejsze i ma dużo większą masę niż to, co widać w teleskopach.
Około roku 1980 większość astrofizyków pogodziła się z niepokojącą myślą, że galaktyki zawierają jakąś niewidoczną materię. O masie aż 10 razy większej niż masa wszystkich widocznych gwiazd! Obecne szacunki wskazują, że jest jej ponad pięć razy więcej (pod względem masy) niż całej zwyczajnej materii, złożonej ze znanych pierwiastków, które uporządkowaliśmy w tablicy Mendelejewa.
Ciemna materia - 26,8 proc.
Z czego może się ona składać?
WIMP-y. Hipotetyczne ciężkie cząstki (masywniejsze od atomu wodoru), które bardzo słabo oddziałują z widzialną materią
MACHO. Ciemne obiekty, zbudowane ze zwykłej materii, np. czarne dziury, wypalone gwiazdy albo samotne planety
AKJSONY. Hipotetyczne cząstki pozbawione ładunku i bardzo lekkie, które 35 lat temu wymyślili prof. Frank Wilczeki Steven Weinberg
Grawitacyjne soczewki
Nie świeci ani nie pochłania światła. Daje o sobie znać tylko za pośrednictwem swojej masy, tj. czujemy siłę jej przyciągania grawitacyjnego. Wydaje się, że nie wypełnia Wszechświata w jednorodny sposób. Skupiska ciemnej materii tworzą "grawitacyjne soczewki", które zakrzywiają światło docierające do Ziemi. W ten sposób z grubsza ustalono, że gromadzi się ona w tych samych miejscach, w których są zwykłe gwiazdy, planety i obłoki gazów międzygwiazdowych, czyli w galaktykach i wokół nich . Z tym że skupiska ciemnej materii mają mniejsze zagęszczenie i są dużo rozleglejsze.
Na trójwymiarowej mapie kosmosu, którą opracował zespół pod kierunkiem prof. Yannicka Melliera z paryskiego obserwatorium, widać, że ciemna materia jest skupiona w długich włóknach i gronach, które wypełniają przestrzeń kosmiczną na wzór potężnej sieci.
Świecąca materia jest w tym otoczeniu zaledwie wierzchołkiem góry lodowej. Wszystko to, co świeci lub odbija światło (więc jest widzialne w kosmosie za pomocą teleskopów), można porównać do świecidełek rozwieszonych na rozległym i potężnym rusztowaniu z niewidocznej ciemnej materii.
Ciemna energia - 68,3 proc.
Co może być źródłem tej tajemniczej formy energii?
PRÓŻNIA. Z kwantowej teorii wynika, że próżnia może mieć energię, ale obliczenia na razie prowadzą na manowce
KWINTESENCJA. Skalarne pole kwantowe, które ma niezwyczajne własności, m.in. wytwarza ujemne ciśnienie
PIĄTY WYMIAR. Według jednej z hipotez w kosmicznych skalach ujawniają się dodatkowe wymiary świata
W powietrzu czuć podniecenie
Nasza Galaktyka wraz z Układem Słonecznym także są w niej zanurzone. Widoczna część Drogi Mlecznej ma średnicę 100 tys. lat świetlnych, ale halo z ciemnej materii może rozciągać się na odległość aż 1,5 mln lat świetlnych, a więc sięgać aż do sąsiedniej Andromedy.
Ze współczesnych modeli ewolucji kosmosu wynika, że istniejemy dzięki ciemnej materii. To ona bowiem pomogła zwykłej materii skupić się w galaktyki i gwiazdy, a w końcu - w planety.
Ale z czego jest złożona ta nieznana substancja? Hipotez jest prawie tyle, ilu jest fizyków zajmujących się tą zagadką. Większość uważa, że mamy do czynienia z nieznanymi jeszcze cząstkami elementarnymi, które mają całkiem inne własności niż te, które znamy. Nieznane, ale już nazwane - WIMP. To skrót od "słabo oddziałujące masywne cząstki", co znakomicie oddaje całą naszą skąpą o nich wiedzę.
W dziesiątkach eksperymentów na całym świecie od dawna szuka się WIMP-ów. Fizycy umieszczają detektory gdzieś pod grubą warstwą ziemi i za osłonami z ołowiu - żeby odsiać zwykłe promieniowanie z atmosfery i kosmosu - i wypatrują rzadkich kolizji cząstek.
Włosi trzymają swoją aparaturę w tunelu pod masywem Gran Sasso w Apeninach i w 2000 r. nawet ogłosili, iż natrafili na ślad WIMP-ów, ale do dziś nie ma potwierdzenia.
W grudniu 2009 r. gruchnęła wieść o tym, że w sztolniach kopalni Soudan w stanie Minnesota fizycy odkryli coś ważnego. W XIX wieku poszukiwacze złota znaleźli w tym miejscu bogate pokłady rudy żelaza. Wydobywano je aż do lat 60. zeszłego wieku, a w latach 80. Uniwersytet Minnesoty ulokował w kopalni swoje laboratorium. Fizycy badali tam trwałość protonów - cząstek, które stanowią składniki jąder atomowych i według obecnej wiedzy nigdy się nie rozpadają, ale sprawdzić zawsze warto. Ponad dekadę temu rozpoczęli zaś eksperyment CDMS, czyli polowanie na cząstki ciemnej materii.
W jednej ze sztolni umieścili 30 detektorów: 11 z kryształów krzemu, a 19 z germanu. WIMP-y powinny od czasu do czasu - jak kule bilardowe - zderzać się z jądrami atomów germanu lub krzemu. Minimalnie wzrośnie wtedy temperatura kryształu i uwolnią się ładunki elektryczne, co zarejestrują czujniki.
W grudniu 2009 r. kilku członków zespołu niemal równocześnie zapowiedziało seminaria w największych ośrodkach badań jądrowych świata. W internetowych blogach znanych fizyków pojawiły się śmiałe spekulacje, a magazyn "Discovery" pisał, że "w powietrzu czuć było podniecenie".
Okazało się, że detektory w Soudan zarejestrowały dwa zderzenia, które z dużym prawdopodobieństwem można przypisać cząstkom ciemnej materii. Sensacja? Sukces? Nie do końca. Analiza błędów pokazała, że jest 23-proc. prawdopodobieństwo, iż te wskazania są jednak fałszywe.
Z naukowego punktu widzenia to za mało, by ogłosić odkrycie, i za wcześnie, by strzelać korkami od szampana. Ale eksperyment trwa, a do polowania włączają się też inne zespoły na świecie.
Ciemna materia się ujawnia. Niespodziewane odkrycie
Nadchodzi rewolucja
Jednym z kierunków poszukiwań są pomiary promieniowania kosmicznego. Cząstki ciemnej materii powinny się rozpadać lub anihilować ze sobą nawzajem, czego ubocznym produktem byłyby cząstki zwykłej materii, a także jądrowe promieniowanie gamma.
I rzeczywiście, od blisko 20 lat fizycy mierzą w kosmosie pewną nadwyżkę pozytonów - czyli antycząstek elektronów. Są one niemal dokładnymi kopiami elektronów, z jedną różnicą - mają przeciwny ładunek elektryczny. Ten nadmiarowy strumień pozytonów może być "odciskiem palca" ciemnej materii. Ale nie musi. Żeby rozstrzygnąć sprawę, Amerykanie posłali na Międzynarodową Stację Kosmiczną nowy instrument - Magnetyczny Spektrometr Alfa. Piekielnie drogi - kosztował blisko 2 mld dol. Mierzy on energię, kierunek lotu i ładunek wysokoenergetycznych cząstek, które przemierzają przestrzeń kosmiczną.
Kiedy w 2013 r. prof. Samuel Ting, pomysłodawca i szef eksperymentu AMS, ogłosił pierwsze wyniki pomiarów, zapachniało sensacją. Pomiary są bowiem zgodne z hipotezą, że nadmiarowe kosmiczne pozytony pochodzą z rozpadu cząstek ciemnej materii. Bardzo masywnych cząstek - o masie rzędu 1 TeV, a więc aż tysiąc razy większej od atomu wodoru! Podejrzenie padło na hipotetyczne neutralina - cząstki pozbawione ładunku elektrycznego, które są krewniakami bozonu Higgsa w teorii supersymetrii (ta teoria jest rozszerzeniem i uogólnieniem obecnej teorii budowy materii zwanej modelem standardowym, ale na razie nikt nie wie, czy jest prawdziwa).
Zaznaczmy jednak, że prof. Ting dodał także, iż dane wciąż jeszcze nie wykluczają innych scenariuszy. Pozytony mogą też pochodzić z pulsarów rozrzuconych wokół Galaktyki, co byłoby oczywiście bardzo interesujące, ale... nic więcej. Konkluzji więc brak.
Satelita wykrył sygnał od nieznanych cząstek, które wylatują ze Słońca i uderzają w ziemskie pole magnetyczne. To ciemna materia?
Jedno z najnowszych doniesień o cząstkach ciemnej materii pochodzi z końca zeszłego roku. Brytyjscy fizycy z Uniwersytetu w Leicester wykryli, że detektory satelity XMM-Newton zarejestrowały jakieś nieznane promieniowanie rentgenowskie, które pochodzi z najbliższego otoczenia Ziemi. Zasugerowali, że pochodzi ono z rozpadu aksjonów - cząstek, które wymyślili 35 lat temu prof. Frank Wilczek i Steven Weinberg. - Ochrzciłem je nazwą proszku do prania, którego używała moja żona - mówił mi Wilczek. - Bo, widzi pan, aksjon to zbyt piękna nazwa dla proszku, ale dla nowej cząstki elementarnej - w sam raz.
Aksjony miały rozwiązać pewne problemy teorii silnych oddziaływań jądrowych, najpotężniejszych sił w przyrodzie, które spajają kwarki w jądrach atomowych. Według teorii są pozbawione ładunku elektrycznego i bardzo lekkie (prawdziwe chucherka - miliony razy lżejsze od elektronów). Bardzo słabo powinny też reagować ze zwykłą materią.
Jeśli teoria Wilczka ma sens, to strumień tych cząstek powinien wylatywać ze Słońca, a więc być może satelita XMM-Newton rzeczywiście wykrył ich sygnał. Problem w tym, że na razie brakuje stuprocentowego dowodu.
I choć wydaje się, że odkrycie ciemnej materii dosłownie wisi w powietrzu, to wielu fizyków pozostaje sceptykami. Bo kolejne obserwacje nie bardzo się ze sobą zgadzają. Amerykanie pod wodzą prof. Tinga chcą pochwycić ciężkie neutralina, Brytyjczycy tropią zaś bardzo lekkie aksjony. Z kolei fizycy z laboratoriów w kopalni w Minnesocie czy pod włoskim masywem Gran Sasso rejestrują sygnały, które wskazują na jeszcze inne rodzaje cząstek. To tak, jakby szukając złodzieja ukrytego w ciemnym pokoju, co chwila jeden z policjantów krzyczał z innego kąta pomieszczenia: "Mam go, złapałem!".
I komu tu wierzyć? Może wszyscy mają rację, a może nikt. Jest zresztą frakcja fizyków, którzy twierdzą, że nie ma żadnego złodzieja, tj. ciemnej materii, a wszystkie obserwacje ruchu gwiazd i galaktyk czy ewolucji kosmosu będą do siebie pasować, jeśli tylko odpowiednio poprawimy prawa fizyki. Izraelski fizyk Mordechaj Milgrom zasugerował, że wystarczy nieco zmodyfikować prawa dynamiki Newtona, aby wyjaśnić obserwacje ruchu galaktyk i gwiazd. Jego teoria MOND obywa się bez ciemnej materii.
Niewykluczone, że Milgrom ma rację. Ponad sto lat temu jedną z niewyjaśnionych zagadek były zakłócenia w ruchu Merkurego. Ta planeta zatacza eliptyczną orbitę wokół Słońca, ale po każdym obrocie nie wraca dokładnie w to samo miejsce. Peryhelium - punkt na orbicie najbliższy gwieździe - przesuwa się stopniowo wokół Słońca.
Astronomowie przez długi czas podejrzewali, że te zakłócenia wywołuje swoim grawitacyjnym przyciąganiem jakaś nieznana planeta - nawet nazwano ten hipotetyczny glob Wulkanem, całkiem podobnie jak dziś fizycy nadają egzotyczne nazwy hipotetycznym cząstkom ciemnej materii, które mają wpływać na ruch galaktyk. Ale okazało się, że nie ma żadnego Wulkanu, a ruch peryhelium Merkurego wyjaśniła dopiero nowa teoria grawitacji, którą wymyślił Albert Einstein.
Tak czy inaczej, dla fizyki nadeszły ciekawe czasy. Czeka nas kolejny przewrót w obrazie świata na miarę kopernikańskiego. Nie dość, że Ziemię wyrzuciliśmy z centrum Wszechświata i wylądowaliśmy na peryferiach Galaktyki, która nie wyróżnia się niczym spośród miliardów innych galaktyk, to na koniec okaże się, że nie jesteśmy zbudowani z najpowszechniejszej formy materii w kosmosie. Zostaniemy więc zepchnięci na jeszcze większe peryferie.
Albo musimy zmienić prawa fizyki rządzące ruchem materii i przepisać podręczniki, co byłoby nie mniejszą rewolucją.
Ciemna energia
Ciemna materia to niejedyny nieznany składnik Wszechświata. Jest jeszcze ciemna energia, o której wiemy... jeszcze mniej.
Kiedy w 1998 r. dwa renomowane zespoły astrofizyków ogłosiły rezultaty obserwacji odległych supernowych, świat nauki był całkowicie zdumiony. I tak jest do dzisiaj. Z obserwacji wynikało bowiem, że od mniej więcej 6 mld lat kosmos wdepnął pedał gazu. Prędkość ucieczki odległych galaktyk nie maleje, lecz rośnie. Jakby jakaś potężna siła odpychająca przeciwstawiła się powszechnemu grawitacyjnemu ciążeniu.
Do dziś wśród fizyków nie ma zgody odnośnie do tego, co może być źródłem tej nieznanej siły rozpychającej przestrzeń. Dlatego określają ją mianem ciemnej energii, co chyba najlepiej wyraża ich bezradność. Na razie hipotezy są dwie. I obie wydają się absurdalne. Albo ciemna energia to po prostu cecha samej próżni, albo przestrzeń kosmiczna jest wypełniona jakimś nieznanym polem kwantowym. Niektórzy nawet ochrzcili je mianem kwintesencji, która w filozofii Arystotelesa była eterycznym tworzywem ciał niebieskich, piątym elementem obok czterech żywiołów: powietrza, ziemi, ognia i wody.
Oglądaj wideo "Nauki dla każdego" i odkrywaj największe zagadki otaczającego Cię świata. Daj się wciągnąć, zafascynować, zadziwić. Spójrz na siebie i rzeczywistość z innej, naukowej strony!
http://wyborcza.pl/1,145452,18622332,ci ... izyki.html