Nie widać jej i nie słychać. Nie oddziałuje z naszymi instrumentami w żaden znany sposób. A jednak jest kluczowa dla zrozumienia przeszłości i przyszłości wszystkiego, co nas otacza. Ciemna materia to najbardziej tajemnicza rzecz we Wszechświecie.
Czym jest ciemna materia? Ta hipotetyczna forma materii, która nie emituje i nie odbija promieniowania elektromagnetycznego, a wypełnia cały Wszechświat. Jest jej więcej niż widzialnej materii, a przecież wszystkich gwiazd, planet, galaktyk czy mgławic są niezliczone ilości. Naukowcy od dawna starają się rozwikłać zagadkę ciemnej materii i związanej z nią ciemnej energii. Komu się uda, najpewniej zostanie uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.
Zastanawiacie się, dlaczego ciemna materia jest dla naukowców tak ważna? Dobrze zobrazuje to poniższy wykres, który pokazuje udział widzialnej materii, ciemnej materii i ciemnej energii Wszechświata. „Coś” tam na pewno jest, chociaż nie możemy jeszcze tego dostrzec.
Tajemnicze sygnały
Istnienie ciemnej materii to dominujące wytłumaczenie obserwowanych anomalii w rotacji galaktyk oraz ich ruchu w gromadach. W 1933 r. astronom Fritz Zwicky zauważył, że galaktyki należące do gromady Coma poruszają się na nocnym niebie tak szybko, że powinny zostać wyrzucone z gromady. Udowodnił to matematycznie i wyliczył, że większość masy gromady musi skupiać się w niewidzialnej, ciemnej materii. Do podobnych wniosków doszli kolejni astronomowie po obserwacjach innych gromad. Początkowo termin „ciemna materia” był kontrowersyjny, gdyż sprawiał wrażenie hipotezy stworzonej „na kolanie”.
Obecnie istnieje 5 detektorów ciemnej materii, ale mimo tego nie uchwycono żadnych cząsteczek ją tworzących. Do ciekawych wniosków doszedł astrofizyk z University of Miami, Nico Cappulleti. Interesuje się on supermasywnymi czarnymi dziurami i aktywnymi jądrami galaktyk, które są jasnym źródłem światła znajdującym się w centrach wielu galaktyk. Cappulleti opublikował wyniki obserwacji, które mogą zmienić nasze postrzeganie ciemnej materii.
Astrofizyk przeanalizował interesujące źródło światła, które zostało uchwycone przez cztery różne teleskopy – każdy skierowany w inny skrawek nocnego nieba. Źródło to pozostawało nieznane i nierozpoznawalne przez naukowców. Podobny sygnał wykrył także astrofizyk Esra Bulbul z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Używamy specjalnych teleskopów do wychwytywania promieni rentgenowskich na niebie, a patrząc na nie, zauważyliśmy nieoczekiwaną cechę i uchwyciliśmy spektrum światła, które nie jest wytwarzane przez żadną znaną emisję atomową. Nazwaliśmy ją linią emisji 3,5 keV. Prawdopodobnie pochodzi ona z rozpadu ciemnej materii.
Nico Cappulleti
Cztery teleskopy, które wychwyciły emisję 3,5 keV to NuSTAR należący do NASA, teleskop XMM-Newton ESA, teleskop Chandra i teleskop Suzaku z Japonii. Bulbul powiedział, że astronomowie nie mają pojęcia skąd pochodzi linia 3,5 keV. Jednym ze źródeł może być sterylne neutrino, ale także rozkładająca się ciemna materia. Najciekawsze jest to, że emisja pochodzi z naszej własnej galaktyki.
To może być jedno z najważniejszych odkryć w fizyce. Wiemy, że Droga Mleczna jest otoczona ciemną materią. Wszyscy żyjemy w bańce ciemnej materii. Chcemy mieć statystyczną pewność naszego wykrycia, dlatego teraz chcemy wykluczyć źródło sterylnego neutrina.
Nico Cappulleti
Dokładniejsze obserwacje będą możliwe w momencie powstania mocniejszych teleskopów. Przełom może nastąpić w momencie uruchomienia Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który jest już gotowy, a ma zostać uruchomiony w marcu 2021 r.
Niejedna ciemna materia
Ciemna materia prawdopodobnie nie jest zbudowana z jednego rodzaju cząstek. Przypuszcza się, że istnieje co najmniej kilka typów ciemnej materii. Główny podział to barionowa ciemna materia i niebarionowa ciemna materia. Ta pierwsza składa się głównie z protonów i neutronów, a jej źródłem są głównie masywne nieświecące obiekty, takie jak brązowe karły.
Znacznie bardziej złożona jest niebarionowa ciemna materia, dzielona na ciepłą i zimną. Gorąca ciemna materia jest zbudowana z cząstek poruszających się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła (np. neutrin). Zimną ciemną materię tworzą nieoddziałujące elektromagnetyczne cząstkę, poruszające się z mniejszymi prędkościami (WIMP). Nie odkryto jeszcze obiektów, które spełniałyby te wymagania. Naukowcy rozważają istnienie bardziej egzotycznych cząstek, takich jak aksony, tachiony czy materia Kaluzy-Kleina. To wszystko jednak rozważania teoretyczne, bo na horyzoncie nie ma możliwości detekcji żadnych z wymienionych.
Możliwe także, że ciemna materia tak naprawdę nie istnieje. W 2012 r. belgijski astrofizyk Pierre Magain zaproponował model Wszechświata, według którego jego wiek wynosi między 15,4 a 16,5 mld lat, a nie 13,8 mld, jak się obecnie zakłada. Model ten zakłada wolniejsze rozszerzanie się Wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu i jest możliwy nawet bez zakładania ciemnej materii.
Astrofizycy są zgodni, że kolejna dekada może stać pod znakiem odkryć związanych z ciemną materią. Jeżeli udałoby się potwierdzić jej istnienie, byłoby to jedno z największych odkryć w historii fizyki.
