mininauka4_galaktyka

MiniNauka #4: Czym właściwie jest ciemna materia?

Materia, którą znamy i możemy zaobserwować, stanowi około pięciu procent masy Wszechświata. Te wszystkie czarne dziury, gromady galaktyk, mgławice i inne niezwykłe cuda stanowią – według obliczeń – ułamek tego, co rzeczywiście istnieje. Bilans uzupełnia ciemna energia (niemal 70%) oraz będąca przedmiotem dzisiejszych refleksji ciemna materia, która stanowi około 25% tego, co istnieje. Tylko czym ona właściwie jest, w jaki sposób ją odkryliśmy, a wreszcie, co najważniejsze, w jaki sposób jej istnienie wpływa na Wszechświat? Tym właśnie zajmiemy się dzisiaj.

Reklama

Już w latach 30. ubiegłego wieku Fritz Zwicky, szwajcarski astrofizyk, dokonał obliczeń, które do ówczesnych obserwacji wprowadzały niemałą sprzeczność. Wyliczył bowiem, że jedna z gromad galaktyk nie ma prawa istnieć – siła grawitacji miała być niewystarczająca, by utrzymać w ryzach kilka tysięcy tworzących ją galaktyk. Obserwacje nie potwierdzały jednak tych obliczeń, więc Zwicky zrzucił odpowiedzialność na ówczesny stan wiedzy. Przeszedł z tą anomalią do porządku dziennego. Dopiero niemal czterdzieści lat później odkrycia Very Rubin rzuciły na sprawę nieco światła, chociaż tak naprawdę przyniosły one więcej pytań niż odpowiedzi.

Reklama

mininauka4_drogamleczna

Coś, czego nie widać

Wykonajmy małe ćwiczenie wyobraźni. Wyobraźcie sobie uproszczony Układ Słoneczny; Słońce, Ziemię, Jowisza i Neptuna. Pomyślcie, że planety wirują wokół Słońca, przy czym pełny obrót Ziemi trwa 365 dni, pełny obrót Jowisza to jakieś 12 ziemskich lat, a pełny obrót Neptuna zajmuje 165 ziemskich lat. Widać wyraźnie, że obiekty bliższe Słońcu wykonują pełny obrót wokół niego znacznie częściej. Rozszerzmy teraz tę wizję na całą galaktykę; wyobraźcie sobie centrum galaktyki, gwiazdy blisko niego oraz gwiazdy znajdujące się gdzieś na krańcach ramion galaktyki. Co widzicie? Prawdopodobnie to samo, co wynikało z obliczeń Zwicky’ego – gwiazdy blisko centrum wirują wokół niego szybko, zaś im dalej od centrum, tym więcej czasu potrzeba, by gwiazda wykonała pełny obrót wokół środka galaktyki. Tymczasem nie.

Przyczyną, dla której Zwicky porzucił swoje dywagacje, były obserwacje, które mówiły jasno – okres obiegu gwiazd wokół centrum jest mniej więcej taki sam dla całej galaktyki! Upraszczam nieco ten model, ale nam to w zupełności wystarcza. To właśnie w tym momencie wkraczają odkrycia i symulacje Very Rubin, z których wynikał nieco przerażający wniosek. Aby ruch własny galaktyki wytłumaczyć matematycznie, konieczne było zwiększenie jej masy o jakieś pięć razy. Jednakże masa nie może brać się z niczego, a ta, którą mogliśmy zaobserwować, absolutnie nie tłumaczyła zjawiska – było jej po prostu zbyt mało. Konieczne było więc wprowadzenie do nauki czegoś nowego; czegoś, co po prostu wytłumaczyłoby obserwacje. Vera Rubin stwierdziła więc, że odpowiada za to ciemna materia – cząstki, które oddziałują ze znanym nam Wszechświatem tylko za pomocą siły grawitacji.

Próby wytłumaczenia

Istotne jest, że ówcześni naukowcy odrzucali teorię Very Rubin. Koncepcja była na tyle rewolucyjna i wywracająca astrofizykę do góry nogami, że po części nawet ich rozumiem. Historia pokazała jednak, że to właśnie Vera miała rację – obecnie świat naukowców dysponuje stuprocentową pewnością co do istnienia ciemnej materii, chociaż cały czas kompletnie nie ma pojęcia, czym ona właściwie jest.

Wiemy jednak, czym ciemna materia nie jest. Na przestrzeni ostatnich 50 lat pojawiło się sporo hipotez, których odrzucenie w jakiś sposób przybliżyło nas do znalezienia tej właściwej. Odrzucono między innymi tezę, jakoby ciemna materia była mikroskopijnymi czarnymi dziurami. Z kilku powodów. Po pierwsze obserwacje wykazują, że ciemna materia to raczej większe przestrzennie skupisko masy, natomiast czarne dziury gromadzą masę jak najbardziej zgromadzoną wokół osobliwości. Druga kwestia dotyczy tak zwanego wyparowywania czarnych dziur. Dzięki geniuszowi Stephena Hawkinga wiemy, że czarne dziury wypromieniowują swoją masę, co nazwane zostało właśnie promieniowaniem Hawkinga. Musicie bowiem wiedzieć, że próżnia jest pusta tylko pozornie; w rzeczywistości nieustannie pojawiają się w niej pary cząstka-antyczastka, które momentalnie wzajemnie się anihilują. Taka anihiliacja nie zachodzi jednak bezpośrednio na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury.

Ów horyzont jest bowiem granicą, którą przekracza się tylko w jedną stronę – do środka. Nawet światło nie jest w stanie zza niego uciec, bowiem prędkość ucieczki jest, ze względu na masę obiektu, większa niż prędkość światła. Jeśli więc po jednej stronie horyzontu pojawi się cząstka, a po drugiej odpowiadająca jej antycząstka, to ta druga jest wypromieniowywana w kosmos, kolokwialnie mówiąc. Czarna dziura traci wtedy jakiś ułamek swojej masy. Świat naukowców jest pewny, że absolutnie każda czarna dziura przestanie z tego powodu istnieć – jeśli zabraknie jej masy do pożerania, bilans stanie się ujemny i po wielu miliardach lat nawet największa czarna dziura w końcu zamilknie. Ale to tylko taka dygresja.

Powróćmy do ciemnej materii. Inna teza traktowała o tym, iż jest ona po prostu zwykłą materią rozrzuconą w przestrzeni, gdzie nie występują gwiazdy. Zostało to jednak łatwo obalone, ponieważ takowa materia reagowałaby nie tylko grawitacyjnie. Tymczasem ciemna materia nie tylko nie emituje, ale też nie odbija światła. Jeszcze inna koncepcja dotyczyła antymaterii, natomiast tutaj też pojawił się problem; antymateria w reakcji z normalną materią produkuje unikalne promieniowanie gamma, w efekcie czego materia widzialna powinna reagować z ciemną materią choćby we wnętrzu galaktyki. Nic takiego nie ma jednak miejsca, zatem nasza nieuchwytna ciemna materia nie może być antymaterią.

mininauka4_andromeda

Ciemna materia jest wszędzie

Szacuje się, że zawartość ciemnej materii w przeciętnym mieszkaniu to ułamek miligrama, zaś w ciągu minuty z naszym ciałem zderza się ledwie jeden atom owej materii. Dla porównania przypomnijmy tekst o neutrinach – być może pamiętacie, że w każdej sekundzie przez każdy centrymetr powierzchni ciała przelatuje coś około biliona neutrin. Daje to pewne wyobrażenie, natomiast trzeba wiedzieć jeszcze jedno – ciemna materia występuje nie tylko tam, gdzie materia „zwykła”. Jej skupiska tworzą ogromne przestrzenie, swoiste bąble ciemnej materii, których rozkład mniej więcej pokrywa się z materią widzialną, jest jednak znacznie szerszy. Obecnie naukowcy są zdania, że wszystkie galaktyki znajdują się w takich bąblach i tylko dzięki nich utrzymują swoją formę. W jednym z takich bąbli zanurzona jest Droga Mleczna, ale, co ciekawe, sięga on niemal do najbliższej nam Galaktyki Andromedy. Możecie sobie tylko wyobrazić, jak spektakularnym widokiem uraczyłby nas Wszechświat, gdyby ciemna materia nagle zniknęła.

Tylko skąd właściciwe wiemy, że te bąble istnieją? Na scenę wkracza tutaj pojęcie soczewkowania grawitacyjnego. Z pewnością wiecie, że chowanie się za owalnymi słupami reklamowymi podczas wiatru nie przynosi efektu, bowiem wiatr przed słupem rozdziela się, by tuż za słupem złączyć się ponownie. Jeśli zamiast wiatru weźmiemy światło emitowane przez galaktyki, a przestrzeń w miejscu słupa wypełnimy takim bąblem ciemnej materii, docierające do nas światło będzie nieco zniekształcone z powodu oddziaływania grawitacyjnego. A ponieważ owo światło reaguje tylko grawitacyjnie, mamy pewność, iż tym skupiskiem materii jest właśnie ciemna materia, a nie materia „zwykła”.

mininauka4_soczewkowanie
Przykład soczewkowania grawitacyjnego zarejestrowany przez Teleskop Hubble’a

Wiemy, że nic nie wiemy

Konkluzja wynikająca z obserwacji jest prosta – nie mamy pojęcia, czym jest ciemna materia. Najprawdopodobniej jest tworzona przez cząstki, których jeszcze nie znamy; nie ma w tym nic dziwnego, bowiem nauka cały czas odkrywa coś nowego. Teoretyczne niegdyś cząstki, jak neutrina czy bozon Higgsa, doczekały się doświadczalnego potwierdzenia. W związku z tym pozostaje nam tylko nieustępliwie badać niezbadane, a kto wie, być może kiedyś tajemnicza ciemna materia zostanie obdarta z całej swojej tajemniczości.

_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.

  1. No, to następny odcinek niech będzie o teorii strun i proces niszczenia mózgu zostanie zakończony ;)

  2. sobie kolego doczytaj jak to ostatnio się okazało że dane na podstawie których wprowadzono ciemną materię (za co zresztą był Nobel) okazały się błędne.

        1. Nie chodzi o to, ile zajmie szukanie – kiedy rzucasz tezę to Tobie powinno zależeć na jej obronieniu. Poza tym ten tekst to teoretyczne rozważania jednego naukowca; być może są słuszne, z tego co widzę to pan Maeder nie jest odosobniony w swoich poglądach. Kimże jestem, by mieć pewność w takich sprawach? :) Tylko ja w swoim tekście opisuję powszechnie przyjęte wśród naukowców stanowisko, i jeśli pan Maeder udowodni swoje racje, to to stanowisko niewątpliwe się zmieni.

          1. Z faktu że stanowisko jest powszechne (i nawet nagrodzone Noblem) wcale nie wynika że jest poprawne. Podobnie jest z teorią tzw. wielkiego wybuchu. Jest powszechna ale są inne, mniej znane. A jeżeli piszesz: „kimże jestem by mieć pewność w takich sprawach” to odpowiem Ci tak: zostaw takie tematy. Czas podałem po to, żebyś zrobił jednak lepszy research zanim stracisz kilka godzin na napisanie artykułu, który właśnie zdemolowałem. W 35 sekund. Owszem możemy się tu dalej sprzeczać, ale nie o to chodzi. Nauka ma niestety wiele twarzy. Jedna z nich to ta, ktorą sie pokazuje wszystkim. Inna to ta, którą trzymają wydawcy tacy jak np.: Elsevier (to jeden z wielu, jest tego troche) i każą sobie słono płacić za dostęp ( w tym nawet do prac z XVII wieku!). A jeszcze inna to ta z gabinetu wypełnionego stosem książek, notatek i publikacji.Teraz dodaj jeszcze to, co wiedzą duże korporacje (np. koncerny biomedyczne – a wiedzą sporo!). No i z których źródeł skorzystasz? Wyprzedzając odpowiedź: tak, koncerny biomedyczne guzik się interesują astronomią. Poszukaj czegos o najnowszych rozwiązaniach w budowie elektrowni atomowych. Będziesz miał co robić na wiele odcinków. Pozdrawiam!

          2. Mam nadzieję, że autor artykułu nie przejmuje się arogancją Antka i jego chęcią pokazania swojej wyższości nad wszystkimi i wszystkim.

            Życzę autorowi kontynuowania swoją pasji i chęci dzielenia się z innymi swoimi przemyśleniami.

          3. W sumie to masz rację. Taki Kopernik na przykład, też herezje opowiadał, że to Ziemia podróżuje wokół Słońca. Ten to był dopiero arogant. Jeden kontra reszta świata (NIE, NIE uważam się za Kopernika ani się z nim NIE porównuję).

          4. Mam nadzieję, że myślisz o poprowadzeniu własnego bloga, w którym przystępnym językiem będziesz opisywał „mniej znane” i mniej „powszechne” hipotezy. Chętnie wpadnę i skomentuję co nieco, udzielając przy okazji równie światłych rad, jakich udzieliłeś autorowi powyższego wpisu.

          5. jak znajdę odpowiednio mniej powszechną i znaną dla Ciebie to na pewno dam znać.

          6. Zabawny jesteś. Przyjąłeś logikę wyznawców teorii płaskiej Ziemi – znalazłeś jedno źródło, które przedstawia coś oczywistego i przyjętego za ogólną prawdę jako coś błędnego i uznałeś, że to jedno źródło jest bardziej wiarygodne od całej reszty :)
            Autor ma rację – możesz wspomnieć o tym, on też może wspomnieć w tekście, ale w żadnym wypadku niczego nie „zdemolowałeś” i dopóki to, co ten pan Maeder wymyślił nie zostanie potwierdzone, to jest to raczej ciekawostka a nie fakt.

  3. A co my wieny o kosmosie? Nic i myślę ze mamy za kiepski procesorek pod kopula Żeby znaleźć jedna głupią czastke trzeba bylo tak potężnego akcelatora. To jaki potrzeba instrument by zbadać resztę

    E

  4. Autorze, może czas zacząć pisać o tym książki? :P Świetna porcja nauki, uwielbiam takie treści. Na czym bazowałeś pisząc ten tekst? Czytasz jakieś książki o tym? ;)

    1. W miarę regularnie czytuję polskie wydanie miesięcznika Scientific American i uzupełniam to treścią youtubowych twórców takich, jak Naukowy Bełkot, SciFun czy Kurzgesagt. Poza tym bardzo lubię apkę Curiosity, która codziennie rano dostarcza pięć ciekawych i poszerzających wiedzę tekstów. Natomiast w przypadku tego materiału pisałem głównie z głowy, musiałem wyguglać ino parę dokładnych liczb :)

      1. Panie Tomaszu, „troch” za ostro tu wystartowałem i przepraszam – nie chciałem Pana obrazić. Leon Lederman (https://pl.wikipedia.org/wiki/Leon_Lederman) napisał (moim zdaniem) bardzo dobrą książkę z pogranicza fizyki cząstek elementarnych i kosmologii. „Boska cząstka”. Nie wiem, czy było jakieś wznowienie – czytałem ją w okolicach 2000-2001 roku – gdy sporo urządzeń, które dziś działają było jeszcze na etapie budowy. Ale jest napisana genialnie.

        1. Spokojnie, luzik, o żadnym obrażaniu się nie ma mowy, dopóki rozmawiamy na poziomie to nawet największa różnica zdań nie powinna negatywnie wpływać na całokształt. Książkę postaram się zobaczyć, no i cóż, zapraszam za tydzień na następny odcinek :)

    1. Mea culpa, chyba zrobiłem zbyt duży skrót myślowy – miałem na myśli, że promieniowanie pochodzące z anihilacji naukowcy są w stanie rozpoznać, wyodrębnić od pozostałych źródeł, na przykład od promieni gamma pochodzących z pulsarów.

      1. Czyli są różne promieniowania gamma? Promieniowanie gamma to zakres fal od do i różne zjawiska generują fale gamma o innej częstotliwości? Jak różne odcienie tego samego koloru?

        1. Nie tyle różne promieniowania, co ten sam typ promieniowania, ale o różnej energii. Takie promieniowanie gamma emituje zarówno nasze Słońce jak i gwiazda w centrum Gromady w Perseuszu oddalona o jakieś dwieście milionów lat świetlnych, a mimo to nie mamy problemów z rozróżnieniem źródła pochodzenia. W ten sam sposób jesteśmy w stanie rozpoznać to pochodzące z anihilacji materii z antymaterią.

  5. A mam pytania z innej beczki i może ktoś mi wskaże artykuł na ten temat. Jeśli był Wielki Wybuch gdzieś tam to zakladam, że materia (galaktyki) lecą z tamtego kierunku. Czy wiadomo gdzie to jest i co tam jest? Dalej: po wybuchu tam jest pustka? To wszechświat jest tylko wydmuszką gdzie wszystko jest na powierzchni czy też jest wypełniony w środku materią? I następne: promieniowanie tła, pozostałość po W.W. podobno da się wychwycić z każdego kierunku. Więc jeśli jest pozostałością po wybuchu to dlaczego zewsząd i dlaczego jest wciąż jeszcze tu gdzie materia wolniejszy od pr. św., a nie daleko od wybuchu?

    1. Myślę, że problem może leżeć w nazewnictwie, bo Wielki Wybuch nie był dosłownie wybuchem. Nie wydarzył się w jakiejś przestrzeni, ale sam te przestrzeń zaczął tworzyć, rozszerzając ją coraz bardziej, aż po dziś dzień tak naprawdę – cały obserwowalny Wszechświat wziął się z tego jednego małego punktu o nieskończonej gęstości, czyli z osobliwości. Zerknij sobie na poniższy filmik :) https://www.youtube.com/watch?v=wNDGgL73ihY

        1. Tego nie wie nikt. Niektóre teorie zakładają, że osobliwość to pozostałość po poprzednim zapadniętym Wszechświecie, inne odnoszą się do koncepcji wieloświatów, teorie kwantowe mówią o „przypadkowym” powstaniu (bo jest jakieś prawdopodobieństwo na zdarzenie) ale według modelu standardowego nie istnieje nic przed wielkim wybuchem, bo dopiero wielki wybuch stworzył czas :)

    2. Gorąco polecam „Astrofizyka dla Zabieganych” Neila Degrasse Tysona, to na początek, żeby w ogóle świadomie zabrać się za temat Astrofizyki i Kosmologii, potem można wejść w książki Michio Laku, polskich przekładów jest już co najmniej kilka, a potem można się zabierać za Hawkinga, Faynmana i cała resztę.

    3. A można prosić o proste odpowiedzi: jest gdzieś miejsce skąd wszystko leci, jest pustka wewnątrz czy też nie, dlaczego promieniowanie tła leci z każdego kierunku. Lubię czytać różne artykuły, ale tych informacji nie znalazłem.

      1. Promieniowanie tła nie tyle leci z każdego kierunku, co po prostu znajduje się wszędzie. Wyobraź sobie elastyczny pojemnik wypełniony jakimś gazem pod dużym ciśnieniem. Kiedy rozszerzymy ten pojemnik, ilość gazu nie zmieni się, natomiast będzie on upakowany nieco luźniej, jego gęstość rozłoży się równomiernie w każdym kierunku. Ten pojemnik to właśnie Wszechświat, a gaz to mikrofalowe promieniowanie tła :) Wiem, że nie brzmi to ani trochę intuicyjnie, ale to jedna z bardziej szalonych teorii ze świata astrofizyki. W przyszłości będzie o tym obszerny materiał :)

        1. Pamiętam ten artykuł gdzie ptaki zabrudziły antenę radiową, a po oczyszczeniu dalej ci dwaj naukowcy odbierali to promieniowanie (nobla nawet za to zgarnęli). Czyli to jest promieniowanie do odbioru anteną działająca w danym zakresie. Ale wciąż promieniowanie. Jak może „być wszędzie” , a nie z określonego kierunku.

          1. Jestem zmuszony odpowiedzieć „taka jest natura Wszechświata”, bo nie wiemy, dlaczego Wszechświat się rozszerza, a więc nie wiemy, dlaczego to promieniowanie jest wszędzie. Jakkolwiek by to było trudne do akceptacji, no tak po prostu jest, myślę że wielu naukowców nie może z tego powodu spać po nocach :) Natomiast samo promieniowanie odbierasz wtedy, kiedy masz rozstrojone radio, telewizor, czy jakikolwiek inny odbiornik. Te mrówki na starych kineskopach to było właśnie mikrofalowe promieniowanie tła, echo powstania Wszechświata :)

  6. Ja nie muszę widzieć bakterii na właśnie oczy, żeby wiedzieć, że istnieją – ktoś to zrobił za mnie. Wielokrotnie. Niezależnie od siebie. O to chodzi w nauce. Często dane odkrycie zostaje uznane dopiero gdy potwierdzi je kilka niezależnych zespołów. Dlatego to, co głosi pan Maeder to póki co bardziej ciekawostka, niż fakt. Sam napisałeś, że ostrożnie do takich rzeczy podchodzisz, a jednak dość pewnie zaatakowałeś autora, taki lekki brak konsekwencji z Twojej strony :) Trzymajmy się rzeczy uznanych przez naukę za oficjalne, a na potwierdzenie po prostu poczekajmy

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Reklama