Dwa niezależne zespoły odnalazły ostatnio wielką zgubę, pod postacią niewyobrażalnie rozległych chmur międzygalaktycznej materii. Wykorzystajmy tę sytuację aby porozmawiać o barionach oraz o tym, dlaczego ciągle nam ich mało.

Pierw­szym co muszę zrobić, jest roz­wia­nie wąt­pli­wo­ści, które pojawiły się w ostat­nich tygo­dniach w głowach wielu inter­nau­tów. Otóż nie, astro­no­mo­wie nie roz­su­płali w żaden sposób zagadki popu­lar­nej ciemnej materii. Sko­ja­rze­nie tych kwestii nastę­puje dość natu­ral­nie, bo przecież w obu przy­pad­kach chodzi o brak masy, poszu­ki­wa­nej od dekad przez obser­wa­to­rów. Gwoli przy­po­mnie­nia. Zgodnie z popu­lar­nymi modelami kosmo­lo­gicz­nymi, kosmos i galak­tyki wyglą­dają tak jak wyglą­dają, bo poza “stan­dar­dową” materią budującą gwiazdy, planety, Ciebie, mnie, paprotki i wombaty; wszędzie aż roi się od innych cząstek o enig­ma­tycz­nej, wciąż nie­zna­nej cha­rak­te­ry­styce. Na pewno nie zdołamy ich zobaczyć, gdyż owe hipo­te­tyczne cząstki, z całą pew­no­ścią nie reagują na oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne – nie emitują, ani nie odbijają światła pod żadną postacią. Posia­dają jednak całkiem dorodną masę, suma­rycz­nie nawet pię­cio­krot­nie prze­wyż­sza­jącą zsu­mo­waną masę całej zwy­czaj­nej materii.

Zagad­ko­wość spo­wi­ja­jąca temat ciemnej materii sku­tecz­nie odwró­ciła uwagę mediów od innych intry­gu­ją­cych luk w naszej wiedzy. A tak się złożyło, że również ilość tej świe­cą­cej – zda­wa­łoby się, dobrze znanej materii – nie speł­niała kry­te­riów wyli­czo­nych przez uczonych. Przy czym nie mówimy o zgubie wiel­ko­ści worka ziem­nia­ków, naszej planety, czy nawet Drogi Mlecznej, lecz o braku mniej więcej 30–40% masy widzial­nych skład­ni­ków wszech­świata. Przy­znasz, że taka roz­bież­ność teorii z obser­wa­cją zasłu­guje przy­naj­mniej na chwilę kon­ster­na­cji? Wli­cza­jąc w rachunek ciemną energię (nad tym nawet nie będę się tu roz­wo­dził, odsyłam), ciemną materię, znaną materię bario­nową oraz zgubioną materię bario­nową; wszystko co znamy stanowi zaledwie jakieś 2–3% rze­czy­wi­stej, mate­rialno-ener­ge­tycz­nej zawar­to­ści wszech­świata. Ostatnie publi­ka­cje – zakła­da­jąc ich słusz­ność – zwiększą ten odsetek to potęż­nych 5%.

Aby zachować walor edu­ka­cyjny, poczynię w tym miejscu kilka uwag ter­mi­no­lo­gicz­nych. Co wła­ści­wie uczeni mają na myśli, mówiąc o bra­ku­ją­cych bario­nach? Czym jest ten cały barion? Choć brzmi to mądrze i dla części nie-fizyków nawet strasz­nie, tak naprawdę rzecz dotyczy zwy­czaj­nej materii. Zwy­czaj­nej w każdym rozu­mie­niu tego słowa. Twoje ciało składa się z atomów, zaś atomy te z cząstek tro­ja­kiego rodzaju: elek­tro­nów, protonów i neu­tro­nów. Te dwa ostatnie, jak dosko­nale wiesz, budują jądra atomowe i kumulują w sobie 99,999% masy atomów. Poza oty­ło­ścią, różnią się od elek­tro­nów faktem posia­da­nia wewnętrz­nej struk­tury, bowiem każdy proton i każdy neutron pozo­staje kom­bi­na­cją trzech mniej­szych cegiełek, nazy­wa­nych kwarkami. I właśnie takie twory, skon­stru­owane z kwar­ko­wych tercetów, fizycy okre­ślają mianem barionów. Poza nimi, w przy­ro­dzie funk­cjo­nują również kwarkowe duety (np. piony) noszące nazwę mezonów. Bariony i mezony razem, czyli wszyst­kie byty sklecone z kwarków, kla­sy­fi­ku­jemy z kolei jako hadrony (tak, to właśnie zde­rze­niami różnych hadronów zajmuje się Wielki Zderzacz Hadronów).

No dobrze, ale w takim razie dlaczego bia­do­liło się tyle akurat o bario­nach? Zasad­ni­czo mogli­by­śmy mówić o zagu­bio­nych atomach, czy nawet o zabłą­ka­nym wodorze, ale fizycy lubią być nad­gor­liwi w swojej pre­cy­zyj­no­ści. Po pierwsze, elek­trony (oraz neutrina, wspólnie tworzące rodzinę leptonów) posia­dają nie­po­rów­ny­wal­nie mniejszą masę i wiadomo było, że nawet jeśli znaj­dziemy ogromne ilości całych atomów, to i tak zain­te­re­sują nas głównie ich jądra. Może to lekka dys­kry­mi­na­cja, ale pod względem samej masy elek­trony nie mają wiele do gadania w fizycz­nej rze­czy­wi­sto­ści (tym bardziej neutrina). Po drugie, astro­no­mo­wie nie mogli również nasta­wiać się na poszu­ki­wa­nie byle jakich hadronów, ponieważ mezony mają bardzo krótki czas życia i raczej nie nadają się do budowy sta­bil­nych form materii (bywają za to przy­datne do prze­no­sze­nia oddzia­ły­wań). Krocząc drogą selekcji, na placu boju pozo­stają trój­kwar­kowe, dość masywne bariony, na czele z dosko­nale znanymi pro­to­nami i neu­tro­nami.
To, że wszech­świat wygląda jakby wyrwano mu z trzewi spory kawał mięsa, stało się jasne po obej­rze­niu pierw­szych foto­gra­fii wszech­świata w wieku nie­mow­lę­cym, czy mówiąc pre­cy­zyj­niej, po analizie mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła (CMB). Dla nas powyższa grafika to tylko mono­tonne plamy, ale kosmo­lo­go­wie potrafią wycią­gnąć zeń wręcz zdu­mie­wa­jąco kon­kretne dane i szacunki. Poszcze­gólne kolory ozna­czają mikro­sko­pijne różnice w tem­pe­ra­tu­rze nie­sio­nej przez prastare fotony pro­mie­nio­wa­nia relik­to­wego. Rów­no­cze­śnie, pozwa­lają one na wyzna­cze­nie rozkładu zagęsz­czeń masy/energii we wszech­świe­cie sprzed 13 miliar­dów lat, które dały początek współ­cze­snym gromadom i super­gro­ma­dom galaktyk. Widzimy więc swego rodzaju zaczątki obecnej struk­tury kosmosu i na tej pod­sta­wie pozwa­lamy sobie na sza­co­wa­nie, ile barionów w całym widzial­nym wszech­świe­cie powinno istnieć.

Sęk w tym, że jeszcze wcze­śniej swoje szacunki przed­sta­wiły inne mądre głowy, znające się na fizyce cząstek ele­men­tar­nych. Na pod­sta­wie swojego, równie sporego bagażu infor­ma­cji, teo­re­tycy prze­wi­dzieli ile protonów i neu­tro­nów oraz ile jąder ato­mo­wych, powinno narodzić się w pierw­szych minutach po wielkim wybuchu. Jak na złość, ich wyli­cze­nia okazały się dość mocno roz­bie­gać z rachun­kami astro­no­mów. Albo więc ktoś dał ciała i boi się przyznać, albo gdzieś poza samymi gwiaz­dami i galak­ty­kami, znajdują się całe oceany nie­za­re­je­stro­wa­nej masy.
Prze­cho­dząc do sedna, spró­bujmy nakre­ślić schemat obecnej struk­tury “świe­cą­cej” materii wszech­świata i zro­zu­mieć, jak posze­rzyła się w ostatnim czasie nasza wiedza. To o tyle intry­gu­jące, że wbrew powszech­nemu mnie­ma­niu, zaledwie kil­ka­na­ście procent całej materii bario­no­wej (czyli tej “świe­cą­cej”) materii, ulo­ko­wa­nej jest w gwiaz­dach i tym co sobie możemy pooglą­dać przez zwykły teleskop. Istnieje też dobra wia­do­mość. Nasza super­no­wo­cze­sna apa­ra­tura, pozwa­la­jąca na oglą­da­nie naj­dal­szych zakątków wszech­świata w każdej możliwej długości fali, pozwo­liła uczonym wywęszyć już więk­szość zapo­dzia­nej masy. Wyniki poszu­ki­wań mogą być zaska­ku­jące, przy­naj­mniej z punktu widzenia osoby, nie­sie­dzą­cej na co dzień w obser­wa­to­rium. Oto 2/3 lub więcej widzial­nej materii skupia się w gar­gan­tu­icz­nych mega­struk­tu­rach, spo­wi­ja­ją­cych błysz­czące punkty, jakimi są w tej skali galak­tyki. Dlaczego więc byliśmy ślepi na obecność takich gigantów? Mówimy o obiek­tach rela­tyw­nie rzadkich i chłod­nych, ale jed­no­cze­śnie, wręcz nie­praw­do­po­dob­nie roz­le­głych. Oto ich krótka pre­zen­ta­cja:

  • WHIM: Bodaj naj­więk­sza część wszyst­kich barionów we wszech­świe­cie, pozo­staje skupiona w czymś co fachowcy kla­sy­fi­kują jako Warm–Hot Inter­ga­lac­tic Medium. Jak sugeruje nazwa to sto­sun­kowo ciepłe chmury, zjo­ni­zo­wa­nych atomów wodoru i helu, wypeł­nia­ją­cych prze­strze­nie inter­ga­lak­tyczne. Dopiero ultra­fio­let i pro­mie­nie rent­ge­now­skie ukazały nam, że wszech­świat wygląda jak pajęcza sieć, skle­ja­jąca gęste i błysz­czące galak­tyki.
  • Bańki Lyman-alfa: Mają dość podobny skład – to również potężne chmury wodoru – tyle że o mniej wrze­cio­no­wa­tym kształ­cie, przy­po­mi­na­ją­cym raczej bąbel czy prze­ro­śnięte mgławice. Zresztą to porów­na­nie wydaje się bardzo trafne, gdyż tak jak mgławice bywają “żłobkami gwiazd”, tak obłoki Lyman-alfa, często kryją w sobie grupki galaktyk. Odkry­li­śmy je dopiero na początku obecnego stulecia, od razu tra­fia­jąc na bańkę o średnicy… trzy­krot­nie większej od Drogi Mlecznej. 
  • ICM: To z kolei bardzo roz­rze­dzone atomy i cząstki, wypeł­nia­jące pustkę mię­dzy­ga­lak­tyczną, w samych gro­ma­dach galaktyk. Jako, że do Intrac­lu­ster medium przy­na­leżą również różne gwiezdne odpadki, daje się tu znaleźć nie tylko wodór (choć nadal przeważą), ale również cięższe pier­wiastki aż do żelaza. Cha­rak­te­ry­styczna jest mocna emisja pro­mie­nio­wa­nia w zakresie rent­ge­now­skim.
Widoczna zielona poświata to roz­cią­ga­jąca się na 300 tysięcy lat świetl­nych Bańka Lyman-alfa. Jasne punkty w jej pobliżu to galak­tyki.

Na deser pozo­staje nam ostatnie odkrycie. Zmiana metodyki badań pozwo­liła na odna­le­zie­nie kolej­nego, potęż­nego zbior­nika nie­wi­docz­nej dotąd materii mię­dzy­ga­lak­tycz­nej. Aby zro­zu­mieć na czym polegała obser­wa­cja, musisz sobie uświa­do­mić, że mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła zostało wyemi­to­wane 380 tys. lat po wielkim wybuchu i wraz z eks­pan­sją prze­strzeni, wcho­dziło w inte­rak­cję z kształ­tu­jącą się materią, bardzo często mocno roz­grzaną. Światło może reagować z elek­tro­nami gorącego gazu, ulegając wzmoc­nie­niu. Efekt ten opisali, pocho­dzący z Rosji, Raszid Suniajew i Jakow Zeldo­wicz. Nawiasem mówiąc zjawisko Sunia­jewa-Zeldo­wi­cza wpływa też na długość fali reszt­ko­wych fotonów, poprzez ruch roz­grza­nego gazu względem mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła. Wiedza ta, pozwo­liła w 2008 roku na ziden­ty­fi­ko­wa­nie wielkich gra­wi­ta­cyj­nych prze­su­nięć gromad galaktyk, co zyskało nieco fan­ta­styczną nazwę ciemnego prze­pływu.

W każdym razie, ter­miczne skutki zjawiska Sunia­jewa-Zeldo­wi­cza umoż­li­wiły badaczom z Insty­tutu Astro­fi­zyki Kosmicz­nej w Orsay oraz z Uni­wer­sy­tetu w Edyn­burgu (nie­za­leż­nie od siebie), obwie­ścić światu radosną nowinę. Ich analiza sugeruje, że przed oku­la­rami naszych tele­sko­pów skrywa się wielka ilość barionów – bez wąt­pie­nia większa niż cała materia gwiaz­dowa. Czy jest to już ostatni element uzu­peł­nia­jący astro­no­miczną ukła­dankę? Tego zapewne dowiemy się w naj­bliż­szych latach.
Literatura uzupełniająca:
S. McGaugh, Missing Baryons, [online: https://tritonstation.wordpress.com/2016/07/30/missing-baryons];
R. Dave, R. Cen, Baryons in the warm-hot intergalactic medium, [online: http://scholarworks.umass.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1354&context=astro_faculty_pubs]
L. Crane, Half the universe’s missing matter has just been finally found, [online: www.newscientist.com/article/2149742-half-the-universes-missing-matter-has-just-been-finally-found/];
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014;
M. Jaroszyński, Galaktyki i budowa wszechświata, Warszawa 1993.
  • Wojciech Jóźwiak z Mila­nówka

    Nie znajduję infor­ma­cji, jakoby Raszid Suniajew nie żył?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Dziękuję za czujność. Już popra­wi­łem.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Mikołaj Kar­kow­ski

    Dzień Dobry, proszę mi wytłu­ma­czyć umiesz­cze­nie ciemnej energii na wykresie materii. O ile wiem ciemna energia to żadna energia a wła­ści­wość prze­strzeni

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Przyj­mu­jąc, że trak­tu­jemy wszech­świat jako jeden obiekt fizyczny, ma on pewną skoń­czoną wartość, możliwą to wyra­że­nia jako bilans masy i energii. Oczy­wi­ście to tylko jakaś kon­cep­cja, bo istota ciemnej energii pozo­staje zagadką. Nato­miast nie do końca rozumiem co oznacza “wła­ści­wość prze­strzeni”? W fizyce mamy cza­so­prze­strzeń i mamy energię, wymie­nialną na masę. Wła­ści­wie wszystko da się spro­wa­dzić do jednego z tych dwóch przed­mio­tów, a wysoce praw­do­po­dobne, że ponad tym istnieje jeden mia­now­nik. W każdym razie, wła­ści­wość o której mówisz, może być po prostu energią próżni. Oczy­wi­ście mowa o jakiejś egzo­tycz­nej formie energii, której zro­zu­mie­nie może trwać wieki, ale trudno to odrzucić. Bo o jaką inną “wła­ści­wość” może chodzić?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Mikołaj Kar­kow­ski

        Zro­zu­mia­łem wykres, ale w fizyce mamy cza­so­prze­strzeń i mamy energię, wymie­nialną na masę a ciemna energia to żadna energia. Jest po prostu “siła” (to żadna siła), która roz­sze­rza prze­strzeń. Chodzi mi oto, że ciemnej energii nie można zobaczyć zmierzyć itp. Nie wiem czy jestem w błędzie tak w szkole uczyli.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Co Ci dokład­nie w szkole na ten temat mówili? Jestem zasko­czony, bo kiedy ja uczęsz­cza­łem do szkoły, to w pro­gra­mie naucza­nia nie było ciemnej energii, cząstek wir­tu­al­nych, a mecha­nika kwantowa była ledwie wspo­mniana.

        Nato­miast jeśli ciemna energia to żadna energia — to czym jest? Jeśli nie można jej zmierzyć, to co wykazuje eks­pe­ry­ment Casimira?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Mikołaj Kar­kow­ski

        Tak jak mówiłem to wła­ści­wość prze­strzeni. Tak jak wła­ści­wo­ścią czasu jest to, że płynie i nie ma żadnej tajem­ni­czej energii, która sprawia, że czas płynie. On to robi bo ma taką wła­ści­wość. Ja mam roz­sze­rzoną fizykę ale to nie było na fizyce tylko na angiel­skim bo mam roz­sze­rzony angiel­ski i mam z pania, która moze robic na co ma ochote bo ona dyrek­to­rem w mojej szkole i skoro moze robic co chce to zrobila lekcje gdzie kazdy cos mówil o czym chciał i kolega mowil o ciemnej energii i materii tez ciemnej i mowil jak ja pisze wlasnie poza tym spo­tka­lem sie wcze­sniej z twier­dze­niem ze ciemna energia to zadna energia na yt.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Liu Cixin is better though

    Ktoś chyba za dużo Mura­ka­miego czyta, ale to nic, bo ten styl pisania zaska­ku­jąco dobrze wpływa na kwestię zro­zu­mie­nia tego tematu!

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Potrak­tuję to jako pochwałę, ale prawdę mówiąc nigdy nie miałem w ręku żadnej książki Japoń­czyka. Nie wiem więc, które elementy moich tekstów popu­lar­no­nau­ko­wych przy­po­mi­nają styl jego opo­wie­ści, ale chętnie się dowiem. 😉

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Jacek

    A czy nie jest tak, że z uwagi na mak­sy­malną prędkość z jaką roz­cho­dzi się infor­ma­cja jaką jest prędkość światła, nie możemy ‘jeszcze’ zobaczyć dużej części Wszech­świata, bo infor­ma­cja o tym ciągle do nas jeszcze nie dotarła?
    Wystar­czy, żeby fizycy pomylili wiek Wszech­świata o rząd wiel­ko­ści i już mamy tylko kilka procent dostęp­nej infor­ma­cji z całości tej opi­su­ją­cej Wszech­świat…?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Oczy­wi­ście, że widzimy tylko skrawek wszech­świata, dlatego mówimy o wszech­świe­cie obser­wo­wal­nym — o czym pisałem na blogu nie raz i nie dwa. Nato­miast to nie ma zna­cze­nia dla powyż­szych rozważań, gdyż zostały one oparte na analizie CMB, sta­no­wią­cych właśnie granicę wszech­świata obser­wo­wal­nego. Innymi słowy bra­ko­wało barionów w samej widzial­nej części kosmosu.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

    Ale co kon­kret­nie rozu­miesz przez brak lin­ko­wa­nia? Fakt, że prace są trudno dostępne, choć para­dok­sal­nie mamy je na wycią­gnię­cie ręki. Przy­kła­dowo na stronie Nature, możesz sobie spo­koj­nie hasać, tyle, że należy płacić abo­na­ment. Po prostu jest to trak­to­wane jako usługa… Podobnie rzecz ma się z orze­cze­niami sądów (o ile masz jakiś kontakt z prawem, wiesz o czym mówię). Niby wszystko jest, ale jeśli chcesz sobie sko­rzy­stać z systemu Lex, to najpierw musisz się zare­je­stro­wać i niemało zapłacić, czego nikt poza kan­ce­la­riami robił nie będzie.

    Ale i tak jest chyba pod tym względem coraz lepiej i jak człowiek jest zde­ter­mi­no­wany to może dokopać się do więk­szo­ści przy­dat­nych infor­ma­cji.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0