Ciemna strona wszechświata

W ciągu ostatnich 40 lat astronomowie zdali sobie sprawę, że wszystko, co widzimy – wszystkie gwiazdy, planety i galaktyki – stanowią mniej niż 5% całego wszechświata. Czym jest reszta? Odpowiedź jest krótka, nie mamy pojęcia. To co wiemy, to tylko, że istnieją dwie olbrzymie dziury w naszej wiedzy o wszechświecie. Fizycy nazywają je zastępczo ciemną materią i ciemną energią. W skrócie, ciemna materia jest niewidoczna – jest czymś co możemy wykryć tylko po jej ogromnej grawitacji poruszającej gwiazdy i galaktyki. Ciemna energia, natomiast, jest to tajemnicze COŚ co powoduje, że wszechświat rozszerza się z coraz większą prędkością. Nie wiemy, czy ciemna materia i ciemna energia są z sobą związane. W rzeczywistości są to prawdopodobnie dwa zupełnie różne zjawiska o tej samej nazwie „ciemny” i to tylko dlatego, że nie możemy ich zobaczyć.

CIEMNA MATERIA

Jak została odkryta?
Od 1930 roku astronomowie wiedzieli, że ruch obrotowy galaktyk nie ma sensu. Gwiazdy na krawędziach galaktyki poruszają się znacznie szybciej niż się spodziewano – tak szybko, że powinny być wyrzucone na zewnątrz do przestrzeni kosmicznej. Ale to dziwne zjawisko można wyjaśnić, jeśli istnieje dodatkowa materia wewnątrz i na zewnątrz galaktyk, której nie możemy zobaczyć. To jest właśnie ta “ciemna materia”, która utrzymuje galaktyki razem. Od tego czasu, wiele innych zaobserwowanych zjawisk, od wirujących galaktyk z choreografią gromad galaktyk, do zderzenia mgławic – wszystko to sugerowało to samo. Chociaż niektórzy fizycy rozważają inne teorie, takie jak zmienna grawitacja, to jednak większość z nich jest stosunkowo pewna, że ciemna materia istnieje. To jedyne wytłumaczenie, które pasuje do wszystkich danych.

Co wiemy?
Wiemy, że ciemna materia nie emituje światła (ani go nie absorbuje czy odbija), więc nie może być złożona z planet lub chmur normalnej materii. Wiemy, że jest “zimna” (co w żargonie fizyków oznacza, że porusza się powoli – w odróżnieniu od prędkości światła). Wiemy, że ma grawitację. Wiemy również, że nie oddziałuje znacząco z niczym, nawet sama z sobą – bowiem w takim przypadku ciemna materia zredukowana zostałaby do struktur płaskich, takich jak galaktyki, zamiast sferycznych obwiedni, które są wykrywane. Wiemy również, że stanowi około 27% wszechświata.

Czym może być ciemna materia?
Najważniejszym jest, że jest to chyba jakiś nowy rodzaj cząstek (lub cała ich rodzina), które nigdy nie zostały wcześniej wykryte. Ciemne cząstki materii mogą być wszędzie wokół nas, a nawet przenikać w tej chwili poprzez ciało. Oznacza to, że odpowiedź na tę wielką układankę kosmologiczną, wpływająca na wszechświat w skali milionów lat świetlnych, może leżeć w fizyce cząstek drobnych, znacznie mniejszych od atomu. W ciągu ostatnich 30 lat fizycy przesiali dziesiątki różnych kandydatów na cząstki ciemnej materii. Głównym podejrzanym w tej chwili jest rodzaj cząstki nazwany „weakly interacting massive particle” WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki). Są to swego rodzaju ciężkie cząstki które oddziaływają jedynie ze słabą siłę. Jednym z celów CERN’owskiego Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) jest poszukiwanie WIMP (w ten sam sposób w jaki znaleziono bozon Higgs’a w 2013r.) – nieuchwytnych cząstek ciemnej materii które mogą powstawać podczas zderzania protonow przy prędkości bliskiej światłu.

Czy możemy wykryć ciemną materię?
Niektóre z nich poszukiwane są specjalnymi teleskopami do identyfikacji śladów anihilacji dwóch cząstek ciemnej materii. Inne są olbrzymimi kadziami ciekłego ksenonu w których obserwowane są rozbłyski cząstek zderzającej się ciemnej materii z jądrami atomowymi. Nikt jeszcze nie dostarczył przekonywujących dowodów o wykryciu cząstek ciemnej materii, choć niektóre z eksperymentów wykluczyły niektóre możliwości, czym może być ciemna materia. Pozostaje możliwość, że ciemna materia nie jest bezpośrednio wykrywalna – zwłaszcza, jeśli okaże się, że jej cząstki, nie reagują nawet na słabą siłę.

Ciemne siły i ciemne fotony
Niektórzy fizycy uważają, że ciemne cząstki materii mogą współdziałać ze sobą za pośrednictwem nowej siły natury zwanej, ciemna siłą i przekazywane przez ciemne fotony (ciemne promieniowanie). Może być nawet, że istnieją różne rodzaje ciemnej materii, z których niektóre reagują z ciemną siłą, a inne nie.

CIEMNA ENERGIA

Jak odkryto ciemną energię?
Na początku 20 wieku, wielu fizyków w tym Albert Einstein wyobrażali sobie wszechświat jako statyczny i niezmienny. Ale w 1929 roku amerykański astronom Edwin Hubble obserwując ruchy eksplodujących gwiazd odkrył, że wszechświat się rozszerza. W rzeczywistości wszechświat musiał mieć początek – moment stworzenia zwany Wielkim Wybuchem. Możemy sobie wyobrazić Big Bang na kształt eksplozji. Ale po wybuchu wielu fizyków uważało, że jego rozszerzanie powinno zacząć zwalniać w czasie, bowiem grawitacja wciągnęłaby wszystko z powrotem do jednego punktu. Pytanie więc brzmi, czy rozszerzanie wszechświata zatrzyma się i zmieni z czasem kierunek, zapadając się do pojedynczego punktu? W 1998 roku sprawy się nieco bardziej skomplikowały. Stosując tę samą metodę jak Edwin Hubble (i z teleskopem nazwanym jego imieniem) astronomowie stwierdzili, że ekspansja wszechświata nie spowalnia, lecz przeciwnie przyspiesza. Galaktyki oddalają się od siebie coraz szybciej każdego roku. Był to dziwny i niespodziewany wynik. Trochę jak gdyby jadąc na płaskiej szosie, zdjąć nogę z pedału gazu – i wówczas samochód zaczął przyspieszać! Jednak dane były przekonujące. Fizycy zdali sobie sprawę, że ekspansja ta musi być napędzana jakimś rodzajem energii i nazwali ją “ciemna energia“.

Co wiemy?
Wiemy, że ciemna energia wpływa na wszechświat jako całość. Wiemy, że działa trochę jak ujemna grawitacja, odpychając galaktyki od siebie. Wiemy również, że ciemna energia nie oddziaływała w widoczny sposób przez kilka miliardów lat temu, bowiem w pierwszej połowie swego życia, ekspansja wszechświata zwalniała z powodu skupiającej wszystko grawitacji. To sprawia, iż fizycy uważają, że ciemna energia jest w jakiś sposób związana z samą przestrzenią. Oznacza to, że jej gęstość w przestrzeni, jest zawsze taka sama, ale rozszerza się wszechświat (to jest powstaje więcej miejsca) i ilość ciemnej energii również wzrasta. To wyjaśniałoby, dlaczego ilość ciemnej energii była nieistotna, gdy Wszechświat był mały.

Co to mogło być?
Odpowiedź na tajemnicę ciemnej energii może również leżeć w mikroskopijnych realiach dziedziny kwantowej. W teorii kwantowej, „Pusta przestrzeń” nie jest pusta w ogóle, lecz wypełniona „zupą” cząstek stale pojawiających się i znikających. Bez względu na to jak dziwnie to brzmi, to fizycy faktycznie zmierzyli siły tworzone przez te tak zwane “cząstki wirtualne” w laboratorium. Problemem jest to, że kiedy starają się obliczyć, ile energii te cząstki wirtualne wnoszą do każdego metra sześciennego pustej przestrzeni, to rezultatem jest czynnik 10^120 zbyt duży w porównaniu do gęstości ciemnej energii (mierzonej od przyspieszającego rozszerzania wszechświata). Ta jedynka ze 120 zerami po niej, to absurdalna odpowiedź zwana “najgorszym przewidywaniem teoretycznym w historii fizyki”.

Kwintesencja
Niektórzy fizycy uważają, że ciemna energia może być zbliżona do piątej siły natury, przenikającej całą przestrzeń. Nazywają to “kwintesencja”, piątym elementem przewidywanym przez greckich filozofów. W przeciwieństwie do stałej kosmologicznej, kwintesencję można sobie wyobrazić jako zmieniającą się w czasie – kiedyś przyciągająca, obecnie odpychająca.

Wielkie rozdarcie i ciemna energia – fantom
Według niektórych teorii, kwintesencja może nadal rosnąć (w tym przypadku nazywa się to ciemna energia – fantom) i zniszczyć wszechświat. Jeśli ekspansja wszechświata będzie nadal przyspieszać to w końcu osiągnie prędkość światła. Galaktyki i gwiazdy zostaną od siebie odcięte, a przestrzeń pomiędzy Słońcem, a Ziemią rozszerzy się szybciej niż prędkość światła. Indywidualne atomy zostaną rozdarte z uwagi na rozwijającą się szybciej niż światło przestrzeń wewnątrz nich.

Nowa grawitacja?
Ciemna energia nie musi być nową siłą. Może po prostu być oznaką, że w bardzo dużej skali, grawitacja nie zachowuje się tak jak opisuje to Einstein w ogólnej teorii.

Model ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) ang. zimna ciemna materia
Jest to określenie bieżącego najlepszego obrazu sporządzonego przez astrofizyków przedstawiającego sposób konstrukcji kosmosu. Λ (lub lambda) oznacza ciemną energię, podczas gdy zimna ciemna materia opisuje konsensus, zakładający że ciemna materia musi składać się z pewnego rodzaju wolno poruszających się nieznanych wcześniej cząstek. W obrazie tym, ciemna materia stanowi 27% masy-energii Wszechświata, ciemna energia stanowi około 68%, a zwykła materia – która tworzy gwiazdy i galaktyki oraz naszą własną krew i ciało – stanowi mniej niż 5%.

Wg. Cosmos Magazine