Ciemna materia -Góra.pdf

F OTON 103, Zima 2008

Ciemna materia

Paweł F. Góra

Instytut Fizyki UJ

Trudno w to uwierzyć, ale w kosmicznej skali cała materia, z której zbudowane

są nasze ciała, Ziemia, Słońce i wszystkie gwiazdy, jest nieledwie zanieczysz-

czeniem. Większość materii Wszechświata jest dla nas niewidzialna – wedle

obecnych szacunków, aż 84% materii Wszechświata stanowi tajemnicza sub-

stancja, zwana ciemną materią.

Odkrycie ciemnej materii

Jako pierwszy istnienie ciemnej materii zasugerował szwajcarski astronom,

Fritz Zwicky, już w roku 1933. Badał on gromadę galaktyk leżącą w gwiazdo-

zbiorze Warkocz Bereniki i ze zdumieniem stwierdził, iż galaktyki poruszają się

tam ze znacznie większymi prędkościami, niż wynikałoby to z ich wzajemnego

oddziaływania grawitacyjnego – wyglądało to tak, jakby jakaś niewidzialna

materia rozpędzała galaktyki swoim grawitacyjnym wpływem. Skoro materia ta

była niewidzialna, nie mogła oddziaływać elektromagnetycznie, nie mogła emi-

tować ani pochłaniać fal elektromagnetycznych w żadnym zakresie. Nie świeci-

ła, a więc była „ciemna”. Stąd właśnie wzięła się jej nazwa.

W późniejszych latach kolejni astronomowie dokładali swoje dane do ob-

serwacji Zwicky’ego. W końcu zrozumiano, że także gwiazdy w galaktykach

poruszają się znacznie szybciej, niż wynikałoby to z grawitacyjnego wpływu

widzialnej materii. Astronomowie wiedzą, że tylko 1/9 (około 11%) zwykłej

materii stanowi budulec gwiazd, planet i innych „normalnych” obiektów astro-

nomicznych – reszta, czyli 8/9 zwykłej, podkreślamy, zwykłej materii występu-

je w postaci bardzo rozrzedzonego, zjonizowanego gazu, wypełniającego galak-

tyki i niezmierzone przestrzenie pomiędzy galaktykami w gromadach galaktyk.

Gaz ten pochłania i wysyła fale elektromagnetyczne, możemy go więc obser-

wować, ale i tego rozrzedzonego gazu było za mało, aby utrzymać galaktyki

i gromady galaktyk w ich obserwowanym kształcie. Gdyby nie ciemna materia,

galaktyki, w tym nasza Droga Mleczna, po prostu by się rozpadły. W latach

siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku zgromadzono w końcu tak

wiele danych, iż większość astronomów i fizyków nabrała przekonania, że jakaś

forma ciemnej materii musi istnieć. Co ciekawe, najnowsze badania pokazują,

że pewne typy galaktyk nie zawierają ciemnej materii i nie potrzebują jej do

zachowania stabilności!

F OTON 103, Zima 2008

Pierwsze próby wyjaśnienia

Czym jest ciemna materia? Początkowo przypuszczano, że ciemna materia to

mniej więcej normalne obiekty astronomiczne, których dotąd po prostu nie uda-

ło się zaobserwować, gdyż emitują one zbyt mało światła. Mogły to być brązo-

we karły, gwiazdy neutronowe lub czarne dziury, rezydujące na obrzeżach ga-

laktyk, w tak zwanym halo. Nadano im wobec tego nazwę MACHO ( Mas sive –

C ompact H alo Ob ject – masywny, zwarty obiekt halo), zgodnie z coraz bardziej

popularną zasadą, iż połowa sukcesu w fizyce polega na wymyśleniu chwytli-

wej nazwy dla badanych zjawisk 1 . Skrupulatne, wieloletnie poszukiwania MA-

CHOs pokazały, że choć w galaktycznych halo występują obiekty tego typu,

najwyraźniej jest ich o wiele za mało, aby ich sumaryczny wpływ mógł odpo-

wiadać ciemnej materii.

Zaczęto zatem przypuszczać, iż ciemną materię stanowią jakieś cząstki ele-

mentarne, być może nieznane ziemskiej nauce. Cząstkom tym nadano nazwę

WIMP 2 ( W eakly I nteracting M assive P article – słabo oddziałująca masywna

cząstka). Kosmologowie uświadomili też sobie, iż ciemna materia musiała wy-

wrzeć wpływ na bardzo wczesne etapy ewolucji Wszechświata. Cenne informa-

cje o anizotropii promieniowania reliktowego, zdobyte przez satelitę COBE

(Nagroda Nobla w roku 2006) i jego następcę, satelitę WMAP, narzuciły pewne

ograniczenia na modele ciemnej materii. Po licznych dyskusjach i kontrower-

sjach, większość specjalistów – choć bynajmniej nie wszyscy! – zgodziła się, że

ciemną materię stanowią pewne cząstki elementarne, obdarzone masą i porusza-

jące się raczej powoli. Model taki nazywa się modelem zimnej ciemnej materii .

W modelu tym ciemna materia w normalnych warunkach oddziałuje ze

zwykłą materią, i z sobą samą, tylko grawitacyjnie. Jeśli jednak energia oddzia-

ływania jest dostatecznie duża, ciemna materia może dodatkowo oddziaływać

z materią zwykłą – efekty takiego oddziaływania mogą być widoczne za pomo-

cą zwykłych (choć bardzo czułych) metod. Można powiedzieć, że przy dosta-

tecznie wysokich energiach ciemna materia nieco się rozjaśnia.

I to właściwie wszystko, co o ciemnej materii można zakładać od strony teo-

retycznej.

Soczewkowanie grawitacyjne

Jedną z konsekwencji Ogólnej Teorii Względności jest zakrzywienie toru pro-

mieni świetlnych przelatujących koło masywnego obiektu. Masywne, rozległe

przestrzennie obiekty astronomiczne, takie jak gromady galaktyk, mogą działać

jak soczewki – mogą zniekształcać, a nawet rozszczepiać obraz jakiegoś odle-

głego obiektu, którego światło przez nie przechodzi. Choć możliwość tę prze-

1 Macho oznacza silnego mężczyznę, skłonnego do dominacji nad innymi, ale na ogół niezbyt

rozgarniętego.

2 Wimp (ang.) – słabeusz, tchórz, ciamajda.

F OTON 103, Zima 2008

widziano już w latach trzydziestych XX wieku, przy udziale Alberta Einsteina

i znanego już nam Fritza Zwicky’ego, soczewkowanie grawitacyjne po raz

pierwszy zaobserwowano dopiero w roku 1979. Od tego czasu stało się ono

jednym z najważniejszych narzędzi badawczych astronomii pozagalaktycznej.

Narzędzia tego możemy użyć także niejako w drugą stronę: jeśli wiemy, jak

powinno wyglądać to, czego zniekształcony na skutek soczewkowania grawita-

cyjnego obraz oglądamy, możemy na tej podstawie obliczyć rozkład masy

obiektu, który zadziałał jako soczewka. Tego właśnie sposobu użyto do po-

twierdzenia istnienia ciemnej materii.

W sierpniu 2006 ogłoszono wyniki badania gromady galaktyk Pocisk za

pomocą kosmicznego teleskopu Chandra. Okazało się, że gromada ta składa się

naprawdę z dwu gromad, ulegających kosmicznemu zderzeniu. Galaktyki z tych

gromad właściwie nie odczuły zderzenia – minęły się jak rzadkie chmury pyłu

pędzące w przeciwne strony i tylko nieznacznie spowolniły swój lot. Co innego

międzygalaktyczny gaz, stanowiący zdecydowaną większość zwykłej materii

wchodzącej w skład zderzających się gromad: gaz oddziałuje elektromagne-

tycznie, a zatem gaz z jednej gromady dosłownie zderzył się z gazem z drugiej.

Obie chmury gazu znacząco wyhamowały swój lot. W efekcie prawie cały mię-

dzygalaktyczny gaz gromady Pocisk zgromadził się w stosunkowo niedużym

obszarze zderzenia (rysunek 1). Natomiast ciemna materia oddziałuje ze

wszystkim – także z ciemną materią z drugiej gromady – tylko grawitacyjnie

i praktycznie rzecz biorąc nie odczuwa zderzenia. Za pomocą soczewkowania

grawitacyjnego udało się odtworzyć rozkład pola grawitacyjnego wytwarzanego

przez zderzające się gromady galaktyk (rysunek 2). Pole to, jak widać, nie jest

związane ze zderzającym się gazem. Nie może też być wytwarzane przez wi-

dzialne galaktyki, bo te stanowią znikomą część masy całej gromady. Zatem

źródłem pola grawitacyjnego musi być ciemna materia, wokół której uformo-

wała się cała gromada i której rozkład nie jest praktycznie naruszony przez zde-

rzenie.

Rysunek 1. Gromada galaktyk Pocisk

F OTON 103, Zima 2008

Rysunek 2. Linie stałego potencjału grawitacyjnego nałożone na zdjęcie gromady Pocisk

To jest bardzo piękny wynik. Wykorzystano kosmiczne zderzenie do usu-

nięcia międzygalaktycznego gazu z obszaru, który powoduje grawitacyjne so-

czewkowanie, a więc który musi zawierać mnóstwo materii. To bardzo sprytny

pomysł. W ten sposób dostarczono mocnego dowodu świadczącego o istnieniu

ciemnej materii i w dodatku pozwalającego na oszacowanie ile tej ciemnej ma-

terii jest. Pomiar ten przekonał większość zatwardziałych sceptyków, którzy

dotychczas wątpili w istnienie ciemnej materii.

Wielkie łowy

Wierzymy zatem, że ciemna materia naprawdę istnieje, ale pojęcia nie mamy

z czego jest ona zbudowana. Ten, kto pierwszy zdobędzie bezpośrednie, nama-

calne ślady cząstek ciemnej materii, zdobędzie wielką sławę i, zapewne, Nagro-

dę Nobla. Wyścig po odkrycie natury ciemnej materii staje się jednym z najbar-

dziej ekscytujących wyścigów współczesnej fizyki. Liczy się przede wszystkim

to, kto pierwszy dostarczy niezbitych dowodów. Wszyscy inni będą się cieszyć

mizerną sławą tego, kto potwierdził wyniki uzyskane przez kogoś innego.

Poszukiwania utrudnia brak dobrego modelu teoretycznego, nie wiadomo

bowiem czego i gdzie szukać. Z drugiej strony, nie mamy dobrego modelu teo-

retycznego, gdyż mamy zbyt mało danych obserwacyjnych potrzebnych do jego

sformułowania. Wygląda to na błędne koło, ale fizycy nie załamują rąk.

Specjaliści od fizyki cząstek elementarnych przypuszczają, że ciemną mate-

rię stanowią tak zwane cząstki supersymetryczne. Liczą oni na to, iż cząstki te

uda się odkryć w akceleratorze LHC, gdy tylko odzyska on pełną funkcjonal-

ność po awarii, której uległ zaledwie kilka dni po swoim oficjalnym urucho-

mieniu. Spodziewamy się, że przy zderzeniach wysokoenergetycznych cząstek

zwykłej materii, produkowane będą także cząstki supersymetryczne.

F OTON 103, Zima 2008

Konkurencyjne grupy poszukują ciemnej materii bezpośrednio w przestrzeni

kosmicznej. Od czasu do czasu powinno dochodzić do zderzeń cząstek ciemnej

materii, w wyniku których produkowane będą zwykłe cząstki i antycząstki.

Śladów takich procesów szuka europejski satelita PAMELA 3 ( P ayload for An -

timatter M atter Ex ploration and L ight-nuclei As trophysics ). Ostatnio grupa

zawiadująca PAMELĄ doniosła o odkryciu strumieni wysokoenergetycznych

pozytonów (antyelektronów), a wyniki te zostały potwierdzone przez innych

badaczy, analizujących dane zarejestrowane przez aparaturę umieszczoną na

balonach stratosferycznych. Być może świadczy to o zaobserwowaniu zderzeń

cząstek ciemnej materii – być może, ale nie z całą pewnością. Są bowiem pew-

ne trudności w interpretacji tej kategorii danych. W szczególności zarejestrowa-

ny sygnał jest zbyt silny! Gdyby faktycznie miał on pochodzić od ciemnej ma-

terii, musiałoby to świadczyć o tym, iż Ziemia właśnie znajduje się w wyjątko-

wo gęstym obłoku tej substancji. Tak więc wydaje się, że PAMELA i balony

faktycznie coś wykryły, ale tym czymś niekoniecznie jest ciemna materia.

Równie dobrze może to być sygnał pochodzący od jakiegoś nieodkrytego jesz-

cze pulsara lub mikrokwazara.

Z publikacją danych PAMELI wiąże się ciekawa historia. Otóż autorzy tego

eksperymentu przedstawili swoje dane przed ich oficjalną publikacją, na pewnej

konferencji w sierpniu 2008 roku. Danych tych jednak nikomu nie udostępnili

do analizy, jako że przedwczesne upublicznienie danych mogłoby uniemożliwić

im publikację w najbardziej prestiżowych czasopismach. Ktoś jednak sfotogra-

fował wyświetlony na konferencji slajd, a uzyskane w ten sposób dane umieścił

w swojej publikacji, zaznaczając jednak, iż pochodzą one z PAMELI. W ten

sposób wilk był syty i owca cała: Autorzy PAMELI nie utracili możliwości

publikacji na skutek przedwczesnego ujawnienia danych, a zarazem świat na-

ukowy uzyskał dostęp do wartościowej informacji na skutek ni mniej, ni więcej,

tylko naukowego szpiegostwa. Czy można powiedzieć, że było to szpiegostwo

w słusznej sprawie?

Jeszcze inne podejście prezentują autorzy eksperymentu DAMA/LIBRA, ulo-

kowanego w tunelu pod masywem Gran Sasso w Apeninach. Eksperyment ten

rejestruje nadlatujące z kosmosu cząstki, skupiając się na zdarzeniach, których nie

udaje się wytłumaczyć konwencjonalnymi metodami. Autorzy eksperymentu

donieśli, iż zaobserwowali słaby, ale wyraźny sygnał wykazujący roczną modula-

cję i na tej podstawie twierdzą, że jest to sygnał pochodzący od cząstek ciemnej

materii, owych tajemniczych WIMPów. Dlaczego? Spójrzmy na to w ten sposób:

umieszczony na Ziemi detektor zderza się z oceanem WIMPów. Energia zderze-

nia zmienia się w zależności od tego, jaka jest prędkość Ziemi względem „wiatru

WIMPów” (WIMPy poruszają się nierelatywistycznie). Ziemia, wraz z całym

Układem Słonecznym, porusza się wokół centrum Galaktyki z prędkością około

3 Kolejna fajna nazwa.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: