Ciemna materia od dziś nieco jaśniejsza – kanadyjscy naukowcy po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali ciemną materię

Widzialna, czyli „zwykła” materia i energia stanowią zaledwie około 5 proc. tego, co wypełnia pustkę przestrzeni kosmicznej. Przeszło 5 razy więcej jest tzw. ciemnej materii – tajemniczej substancji, która wymyka się obserwacji. Przynajmniej do tej pory się wymykała, gdyż – jak podaje portal Space.com – naukowcom z kanadyjskiego University of Waterloo udało się bezpośrednio zarejestrować ciemną materię.

Wszechświat jest ogromny. Na niebie widać niezliczone gwiazdy, a dzięki teleskopom możemy dostrzec wielokrotnie więcej niż gołym okiem. Część obiektów na niebie nie emituje światła widzialnego, ale możemy obserwować je w innych zakresach fal elektromagnetycznych – radiowym, podczerwonym, nadfioletowym, mikrofalowym, a nawet gamma. Wiemy jednak, że to nie wszystko, co istnieje. Ba! To niewielki ułamek materii i energii, jaka wypełnia nasz kosmos.

Widzialna, czyli „zwykła” materia i energia stanowi zaledwie około 5 proc. tego, co wypełnia pustkę przestrzeni kosmicznej. Przeszło 5 razy więcej jest tzw. ciemnej materii – tajemniczej substancji, która wymyka się obserwacji. Przynajmniej do tej pory się wymykała, gdyż – jak podaje portal Space.com – naukowcom z kanadyjskiego University of Waterloo udało się bezpośrednio zarejestrować ciemną materię.

Ciemna materia

Koncepcja istnienia ciemnej materii ma już niemal 85 lat. W 1933 roku Fritz Zwicky, amerykański astronom szwajcarskiego pochodzenia, badał ruchy galaktyk względem siebie. Jego wyniki wskazywały, że galaktyki muszą być co najmniej 10 razy bardziej masywne niż wskazują dane z obserwacji emitowanego przez nie światła. Oznaczało to, że wypełnia je tajemnicza materia, która nie emituje ani nie odbija promieniowania elektromagnetycznego w żadnym paśmie.

Fritz Zwicky

Koncepcja ta nie wywołała szerszego zainteresowania środowiska naukowego do lat 70-tych XX wieku. Wtedy to Vera Rubin i Kent Ford Jr. badali ruchy gwiazd w naszej galaktyce. Okazało się, że prędkość orbitalna gwiazd odbiegała znacznie od prognoz wynikających ze znanych praw fizyki. Najtrafniejszą hipotezą wyjaśniającą obserwowane zjawisko było istnienie ciemnej materii, która wypełnia Drogę Mleczną i tworzy ogromne skupisko wokół niej – tzw. halo.

Młoda Vera Rubin

O ciemnej materii wiadomo niewiele: nie ma ładunku elektrycznego, ani magnetycznego, nie emituje ani nie pochłania światła. Wiemy jedynie, że podlega oddziaływaniu grawitacyjnemu, ale to niewiele mówi o jej naturze. Z pewnością nie jest to zwykła materia skupiona w czarnych dziurach czy brązowych karłach – gwiazdach-niewypałach, które były zbyt małe, aby rozbłysnąć. Wiemy, że jej rozkład wewnątrz galaktyk jest stosunkowo równomierny i jest jej bardzo dużo.

Wesprzyj Fundację Dziennikarską mediumpubliczne.pl

Soczewkowanie grawitacyjne

Mike Hudson wraz ze swoim studentem Sethem Eppsem badali efekty słabego soczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to wynika z ogólnej teorii względności Einsteina – doskonale przetestowanej i powszechnie akceptowanej teorii grawitacji. To, co różni teorię względności od newtonowskiej teorii grawitacji, o której uczyliśmy się w szkole, to fakt, że pomiędzy masami nie działa żadna siła. To, co pozornie przyciąga nas do Ziemi, Ziemię do Słońca, Słońce do centrum Drogi Mlecznej, a Drogę Mleczną do innych galaktyk z grupy lokalnej, jest zagięcie przestrzeni, a dokładniej czasoprzestrzeni. W uproszczeniu można powiedzieć, że linie proste wokół masywnego obiektu wcale nie są proste, ale wygięte i wykrzywione. To tak jakby masa Ziemi uginała przestrzeń wokół, ściągając nas i wszystkie obiekty w dołek, który tworzy. Ciekawostką jest fakt, że i czas „ugina się” i płynie wolniej w pobliżu ogromnej masy. Inżynierowie tworzący system GPS musieli uwzględnić to zjawisko, aby system działał!

Takie einsteinowskie spojrzenie na grawitację powoduje, że – wbrew teorii Newtona – także światło zdaje się ulegać przyciąganiu grawitacyjnemu. Wszak jeśli linie proste się zaginają, to również tor światła wygina się wraz z nimi. Ten pozornie paradoksalny efekt był jednym z pierwszych dowodów doświadczalnych na słuszność teorii Einsteina. Podczas zaćmienia Słońca w 1919 roku zaobserwowano gwiazdę, która w rzeczywistości znajdowała się za Słońcem, a zatem nie powinna być widoczna. Światło jednak, które powinno nas ominąć, przechodząc koło Słońca, uległo zakrzywieniu w jego polu grawitacyjnym. Tor fotonów odchylił się nieznacznie, lecz wystarczyło to, by astronomowie mogli ujrzeć gwiazdę, której nie powinno być widać. Od tego czasu naukowcy obserwują niezliczoną ilość efektów zakrzywienia światła w polu grawitacyjnym. Dzięki temu niektóre odległe obiekty zdają się większe, jaśniejsze lub zdeformowane. Czasem widzimy kilka obrazów tego samego obiektu. Niekiedy obraz odległej galaktyki jest tak zniekształcony, że tworzy pierścień wokół masywnej gwiazdy, która znajduje się na drodze światła docierającego do naszych teleskopów.

Nowe odkrycie

Właśnie takie zjawiska badali naukowcy z Kanady. Skupiali się jednak na zakrzywianiu światła przez ciemną materię. Aktualne teorie przewidują, że „włókna” ciemnej materii łączą galaktyki swoistymi mostami, co tworzy w przestrzeni kosmicznej sieć ciemnej materii z grupami galaktyk na węzłach. Właśnie efekty soczewkowania na takich włóknach były obiektem badań Kanadyjczyków. Przeanalizowano dane z wieloletnich obserwacji nieba, prowadzonych dzięki teleskopowi kanadyjsko-francusko-hawajskiemu na szczycie wulkanu Muana Kea oraz wyniki Sloan Digital Sky Survey – programu badawczego prowadzonego z użyciem teleskopu w Apache Point Observatory w Nowym Meksyku. Uczeni skupili się na odległych, masywnych i bardzo starych galaktykach znanych pod angielskim akronimem LRG (luminous red galaxies). Ponieważ są to ponadstandardowo duże galaktyki, to skupiają więcej ciemnej materii. Stąd i włókna wokół nich powinny być „grubsze” i bardziej masywne.

Hudson i Epps przejrzeli duży zbiór galaktyk oddalonych o co najmniej 4,5 mld. lat świetlnych od Ziemi. Naukowcy musieli przeanalizować, które z galaktyk znajdują się faktycznie blisko siebie w przestrzeni, gdyż obserwowany z Ziemi obraz często bywa mylący i widoczne obok siebie obiekty może tak naprawdę dzielić spory dystans. Spośród 23 tys. zbadanych par galaktyk, naukowcy stwierdzili, że efekty słabego soczewkowania zachodzą pomiędzy galaktykami odległymi o mniej niż 40 mln. lat świetlnych od siebie, co oznacza to, że pomiędzy takimi galaktykami istnieje włókno ciemnej materii. Zaobserwowane efekty słabego soczewkowania grawitacyjnego pozwoliły nie tylko domyślić się istnienia ciemnej materii, ale po raz pierwszy zobrazować jej rozkład.

Nowa technika analizy danych obserwacyjnych pozwoli w przyszłości m.in. lepiej poznać sieć włókien ciemnej materii oraz lepiej zrozumieć początki i ewolucję Wszechświata.

P.S. Część z was pewnie przyjrzała się danym z początku artykułu i dokonała sumowania zauważając, że zwykła i ciemna materia stanowią łącznie nieco ponad 30 proc. wszystkiego, co jest we Wszechświecie. Jeśli zastanawiacie się, co stanowi pozostałe niemal 70 proc., to jest to jeszcze bardziej tajemnicza ciemna energia, ale to temat na zupełnie inny artykuł. Dajcie znać, czy interesują was zagadnienia z dziedziny astronomii, astrofizyki i kosmologii.

 

Wesprzyj autora red. Natalia Wilk-Sobczak
Chcesz napisać polemikę? Wyślij swój tekst na kontakt@mediumpubliczne.pl
Czy zgadzasz się z tezą artykułu? NieTak (Ocena: +4, liczba głosów: 4)
Loading...