Czytaj dalej

Fizycy przez wieki przyzwyczaili się do badania tego co obserwowalne. Niestety w pewnym momencie prądy nauki poprowadziły nas na zupełnie nieznane wody rzeczy trudnych lub nawet niemożliwych do naocznego zbadania. Jedną z nich jest ciemna materia – mogąca stanowić główny budulec całej fizycznej rzeczywistości.

Gromady galaktyk nie mają racji bytu

Na początek cofnijmy się o 80 lat i zaj­rzyjmy do, budu­ją­cej dopiero swoją renomę, Poli­tech­niki Kali­for­nij­skiej. Inte­re­suje nas postać młodego astro­fi­zyka, Fritza Zwic­ky­’ego, szwaj­car­skiego emi­granta, który przybył do Pasadeny korzy­sta­jąc ze sty­pen­dium Roc­ke­fel­lera i z miejsca zyskał zain­te­re­so­wa­nie pro­fe­sor­skiej elity. Aspi­ru­jący nauko­wiec nie należał co prawda do naj­sym­pa­tycz­niej­szych pra­cow­ni­ków Caltechu (czyt. postrze­gano go jako wrednego gbura), lecz swoimi ory­gi­nal­nymi hipo­te­zami, regu­lar­nie elek­try­zo­wał kolegów po fachu. 

Początek lat 30. ubie­głego wieku, ambitny astro­fi­zyk spędził na obser­wa­cjach naj­więk­szych znanych ówcze­śnie struktur kosmosu, czyli galak­tycz­nych gromad. Zauważmy, iż dopiero niedawno starania Edwina Hubble’a osta­tecz­nie potwier­dziły ist­nie­nie samych galaktyk, toteż ich mecha­nika oraz współ­od­dzia­ły­wa­nia wciąż pozo­sta­wały ziemią nieznaną. Obiektem, który doczekał się szcze­gól­nie głę­bo­kiej analizy Zwic­ky­’ego, była złożona z ponad tysiąca galaktyk gromada w Warkoczu. Kata­lo­go­wa­nie i opis gwiezd­nych wysepek nie przy­spa­rzał zbyt wielu emocji, aż do momentu podjęcia próby prze­śle­dze­nia ich ruchu. Jak wiadomo, znając z grubsza pręd­ko­ści i odle­gło­ści między poszcze­gól­nymi ciałami, z powo­dze­niem można ustalić z jakimi masami i siłami gra­wi­ta­cyj­nymi mamy do czy­nie­nia. Oznacza to, że na dobrą sprawę nie musimy bez­po­śred­nio “ważyć” Słońca aby znać jego para­me­try – wystar­czy analiza li tylko dynamiki okrą­ża­ją­cych go planet. Działa to też w drugą stronę. Wystar­czy zna­jo­mość wła­ści­wo­ści ciał Układu Sło­necz­nego aby móc prze­wi­dzieć ich ruch na orbitach. Fritz Zwicky uciekł się do podob­nych metod: osza­co­wał masy poszcze­gól­nych galaktyk na pod­sta­wie ilości wypro­mie­nio­wy­wa­nego światła, a następ­nie zestawił je z obser­wo­wa­nymi tra­jek­to­riami. Brew naszego bohatera musiała podnieść się bardzo wysoko, gdy zauważył, że jego skru­pu­latne wyli­cze­nia dają nie­po­ko­jące wyniki. Według teorii gromada w Warkoczu nie ma racji bytu! W ten oto sposób, wyszedł na jaw problem, mający przy­spa­rzać siwych włosów całemu następ­nemu poko­le­niu fizyków. 

Opcje były dwie: albo gra­wi­ta­cja w odnie­sie­niu do olbrzy­mich mas działa w sposób inny niż prze­wi­dział Einstein (brrrr), albo masy badanych galaktyk zostały grubo nie­do­sza­co­wane. “Trudno” – stwier­dził zre­zy­gno­wany Zwicky – i po sub­tel­nym zasy­gna­li­zo­wa­niu łami­główki w swoim artykule z 1933 roku, prze­szedł nad nią do porządku dzien­nego. Pamię­tajmy, że nowo­cze­sna astro­no­mia znaj­do­wała się w wieku nie­mow­lę­cym, więc róż­no­ra­kie anomalie kła­dziono na karb małej ilości danych tudzież nie­do­kład­nej apa­ra­tury. Aby świat nauki zaczął inten­syw­nie rwać włosy z głowy, konieczny był moc­niej­szy impuls. Ten trafił się cztery dekady później.

Halo? Z tej strony grawitacja

W czasie gdy Fritz Zwicky szalał w Caltechu, Vera Cooper-Rubin dopiero roz­po­czy­nała przed­szkole. Praw­do­po­dob­nie nikt, włą­cza­jąc w to jej rodziców a nawet ją samą, nie mógł prze­wi­dzieć jakie sukcesy dziew­czyna będzie święcić, w zdo­mi­no­wa­nej przez mężczyzn dzie­dzi­nie (odsyłam do tekstu: Kura domowa, która odkryła wszech­świat). Zwłasz­cza, że pani Rubin nie należała do osób krnąbr­nych ponad miarę. Wprost prze­ciw­nie. Po zało­że­niu rodziny prze­ja­wiała szczerą chęć podjęcia żmudnej, ale sto­sun­kowo mało absor­bu­ją­cej pracy w obser­wa­to­rium. Jak na złość, ucie­ka­jąc przed wielką fizyką, badaczka wpadła prosto pod jej koła…

Zadanie polegało na prze­śle­dze­niu rotacji jak naj­więk­szej ilości galaktyk. Rubin dostała więc to co chciała, bez­wied­nie odno­to­wu­jąc, że galak­tyka X obraca się w lewo z daną pręd­ko­ścią, a galak­tyka Y nieco wolniej w prawo. I w tym miejscu wylazło widmo odkrycia Zwic­ky­’ego. Podczas obser­wa­cji uczona spo­strze­gła coś co nie zgadzało się z fizyką jakiej ją uczono. Gwiazdy leżące na pery­fe­riach oglą­da­nych galaktyk nie obiegały ich centrów tak jak powinny. Naj­pro­ściej mówiąc, obiekty bliskie masyw­nych galak­tycz­nych jąder (jak wiemy obecnie, zawie­ra­ją­cych super­ma­sywne czarne dziury), powinny wyko­ny­wać okrą­że­nia znacznie szybciej niż te zale­ga­jące na krańcach galak­tyki. 

Problem rotacji galaktyk.

Spo­glą­da­jąc na Układ Sło­neczny otrzy­mu­jemy wyraźną ten­den­cję: podczas gdy Ziemia krąży z pręd­ko­ścią 30 km/s, oddalony od Słońca średnio o 6 miliar­dów kilo­me­trów Pluton, wlecze się z szyb­ko­ścią nie­ca­łych 5 km/s. Mniej więcej podob­nych wniosków spo­dzie­wała się Rubin, jednak w przy­padku galaktyk różnice pręd­ko­ści były zde­cy­do­wa­nie zbyt małe. Mało tego, jak wykazali starsi koledzy Very Rubin, taka dynamika galak­tycz­nych ramion powinna dopro­wa­dzić do rozpadu całej galak­tyki. Cóż było robić – naukowcy zaczęli inten­syw­nie głów­ko­wać jak pogodzić teorię z praktyką. Naj­oczy­wist­szym środkiem pro­wa­dzą­cym do celu było doko­op­to­wa­nie do galaktyk masy. Dra­ma­tycz­nie dużej ilości masy.

Masy, której nikt nigdy nie widział.

Kom­pu­tery poszły w ruch. Tworząc wir­tu­alne symu­la­cje wiru­ją­cych galaktyk despe­racko zwięk­szano ich masę. Podwo­je­nie nie dało jednak spo­dzie­wa­nych efektów. Zwięk­sze­nie masy trzy a nawet czte­ro­krot­nie również nie roz­wią­zy­wało w pełni kłopotów. Dopiero gdy postu­lo­wa­nej materii było pięć razy więcej niż tej obser­wo­wa­nej w rze­czy­wi­sto­ści, kom­pu­te­rowe galak­tyki zaczęły zacho­wy­wać się tak jak opisała to Vera Rubin. Kwestię tę często nazywano pro­ble­mem halo. Tak jak optyczne halo tworzy cha­rak­te­ry­styczny pier­ścień wokół Księżyca lub Słońca, tak nie­wi­dzialna masa miałaby opatulać nie­szczę­sne galak­tyki tworząc usztyw­nia­jące je kosmiczne rusz­to­wa­nie.

Ciemna materia wcale nie jest ciemna

Dziś jesteśmy znacznie mądrzejsi niż uczeni er Zwic­ky­’ego czy Rubin, a współ­cze­śni naukowcy z pew­no­ścią w głosie mogą stwier­dzić: nie, nie wiemy czym ciemna materia jest, ale posia­damy fizyczne dowody na jej ist­nie­nie! Zanim jednak do nich przej­dziemy muszę zwrócić waszą uwagę na szczegół, który mógł wam umknąć. Otóż sama nazwa ciemnej materii – chwy­tliwa, bo enig­ma­tyczna i wzbu­dza­jąca zacie­ka­wie­nie – nie ma zbyt wiele wspól­nego z jej fizycz­nymi wła­ści­wo­ściami. Popraw­niej byłoby mówić o materii nie­wi­dzial­nej, ponieważ nie­uchwytne cząstki nie tylko nie są ciemne, ale w ogóle nie oddzia­łują elek­tro­ma­gne­tycz­nie. Mówiąc łopa­to­lo­gicz­nie, nie odbijają światła, nie świecą, ani nie mają barwy. Są więc abso­lut­nie nie­wi­dzialne.

Nie żeby to popra­wiało sytuację badaczy, raczej prze­ciw­nie. Musieli odnaleźć odcisk czegoś, czego w żaden sposób nie dało się zobaczyć. Mieli jednak w ręku jeden pewnik: ciemna materia oddzia­łuje gra­wi­ta­cyj­nie – w końcu dzięki temu ją odkryto. Teo­re­tycz­nie wystar­czyło więc wychwy­cić nacisk gra­wi­ta­cyjny (i to spory nacisk) oraz wyklu­czyć dzia­ła­nie świe­cą­cych obiektów, aby znaleźć ślad tego co nie­wi­doczne. Naj­lep­szy efekt osią­gnięto w 1998 roku.

Zjawisko soczewkowania grawitacyjnego
Schemat dzia­ła­nia soczew­ko­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego.
Ślady obecności ciemnej materii
Zdjęcie gromady galaktyk CL0024+1654.

Powyższa foto­gra­fia wykonana przez naukow­ców z Labo­ra­to­riów Bella (tak, to tu odkryto mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła), uka­zu­jąca kil­ka­dzie­siąt galaktyk z odda­lo­nej o cztery miliardy lat świetl­nych gromady, jest jednym z naj­lep­szych ujęć zjawiska soczew­ko­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego. Każdy kto korzy­stał choć raz w życiu ze szkła powięk­sza­ją­cego, rozumie skąd nazwa. Widoczne na obrze­żach, roz­cią­gnięte struk­tury to zwykłe galak­tyki, tyle że ich obraz został znie­kształ­cony. Funkcję szkiełka pełni tu pole gra­wi­ta­cyjne zakrzy­wia­jące promień świetlny w drodze między oglą­da­nym obiektem a obser­wa­to­rem. Na pod­sta­wie defor­ma­cji zdjęcia CL0024+1654 astro­fi­zycy osza­co­wali roz­ło­że­nie masy a następ­nie opra­co­wali rodzaj trój­wy­mia­ro­wego wykresu.

Jak łatwo się domyśleć, spi­cza­ste punkty ozna­czają galak­tyki. Jednak znacznie bardziej intry­gu­jąca dla astro­fi­zy­ków, była nie­prze­brana ilość masy w prze­strzeni mię­dzy­ga­lak­tycz­nej. To właśnie, oka­la­jąca gromadę ciemna materia.

Niewidzialne cegiełki

Soczew­ko­wa­nie gra­wi­ta­cyjne było niczym ogromny paluch, wska­zu­jący umiej­sco­wie­nie i roz­ło­że­nie ciemnej materii we wszech­świe­cie. Fru­stru­jące jest nato­miast to, że jak dotąd nie zna­leź­li­śmy sposobu na usta­le­nie nici, z której została uszyta. Pierwsza hipoteza, od której zacząłby pewnie każdy z nas, postu­lo­wała jakoby za gra­wi­ta­cyjną zagadką stały po prostu bardzo ciemne ciała nie­bie­skie. Do obiektów MACHO (Masyw­nych Zwartych Obiektów Halo) mogły należeć więc gwiezdne nie­wy­pały zwane brą­zo­wymi karłami, jak i gwiezdne truchła: białe karły, gwiazdy neu­tro­nowe oraz czarne dziury. Naj­now­sze badania, w tym zaini­cjo­wany i pro­wa­dzony przez Polaków projekt OGLE, uświa­do­miły nam, iż galak­tyki rze­czy­wi­ście są pełne tego typu tała­taj­stwa. Niestety naj­prost­sza odpo­wiedź ma naj­mniej­sze szanse powo­dze­nia. Przede wszyst­kim taka ilość kosmicz­nych śmieci prze­kra­cza nawet naj­śmiel­sze szacunki; czarne dziury i gwiazdy neu­tro­nowe spo­ty­ka­li­by­śmy za każdym rogiem. Nie wydaje się możliwe aby obiekty wystę­pu­jące w takiej obfi­to­ści – nawet bardzo ciemne – zdołały się tak dosko­nale kamu­flo­wać. Co jeszcze istot­niej­sze, obser­wa­cje wskazują, że ciemna materia nie ma cha­rak­teru “punk­to­wego”, to raczej rodzaj kosmicz­nego wypeł­nia­cza, obecnego również w prze­strzeni mię­dzy­gwiezd­nej. Nie­wy­klu­czone zatem, że tajem­ni­cze i masywne cząstki nawet w tym momencie prze­ni­kają wasze pokoje.

Opcja druga wypły­nęła na fali wiel­kiego zain­te­re­so­wa­nia neu­tri­nami. Małe i nie­zmier­nie trudne do wychwy­ce­nia cząstki na pierwszy rzut oka speł­niały wszyst­kie warunki, na czele z kom­pletną obo­jęt­no­ścią wobec oddzia­ły­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego. W dodatku neutrina wystę­pują dostat­nio niemal w każdym zaka­marku wszech­świata – więcej jest wyłącz­nie fotonów. Czemu zatem i tym razem fizycy zaczęli grymasić? Otóż neutrina, mimo wszystko są zbyt lekkie aby tłu­ma­czyć wszyst­kie gra­wi­ta­cyjne anomalie. Przy­po­mi­nam, że poszu­ku­jemy materii sta­no­wią­cej około 80% masy galaktyk, tym­cza­sem jeszcze do niedawna nie było wiadomo czy rzeczone drobinki w ogóle posia­dają jaką­kol­wiek masę! Niby w kupie siła, ale w tym przy­padku to nadal zde­cy­do­wa­nie za mało.

Dlatego też ogromna część uczonych przy­chyla się do ewen­tu­al­no­ści ist­nie­nia kom­plet­nie nie­zna­nej rodziny cząstek. Zbu­do­wana z niej materia pozo­sta­wa­łaby nie­wzru­szona obec­no­ścią fotonów, ale z pew­no­ścią oddzia­ły­wa­łaby gra­wi­ta­cyj­nie i to silniej niż materia kla­syczna. Choć brzmi to w sposób nacią­gany, po chwili zasta­no­wie­nia możemy dojść do wniosku, że nie ma w tej opcji niczego aż tak nad­zwy­czaj­nego. Cały czas pozna­jemy nowe cegiełki mikro­świata i wiemy już o takich, które zadzi­wiają swoimi wła­ści­wo­ściami (choćby przy­wo­łane neutrino, uparcie ole­wa­jące elek­tro­ma­gne­tyzm i oddzia­ły­wa­nie silne!). Praw­dzi­wie szo­ku­jący jest jedynie fakt, że tego egzo­tycz­nego i totalnie nie­wi­docz­nego budulca jest aż tyle, a my tak długo w ogóle nie zda­wa­li­śmy sobie sprawy z jego obec­no­ści.

Kosmiczne wampiry

Pomysłów jest kilka, w tym zbu­do­wane z – nie­trwa­łych w naszych warun­kach – kwarków dziwnych, dzi­wa­dełka, mikro­sko­pijne czarne dziury i wreszcie cząstki WIMP. Akronim ten, znów oznacza hipo­te­tyczne twory, o których w chwili obecnej nie wiemy niemal niczego. Zwo­len­ni­kom WIMP-ów sprzyja jednak inna teoria, powstała nie­za­leż­nie od poszu­ki­wań ciemnej materii. Wszystko dzięki szczerej atencji, jaką fizycy obda­rzają pannę SUSY – tzw. super­sy­me­trię.

Nie byłoby celowym szcze­gó­łowe obja­śnia­nie w tym miejscu meandrów SUSY (zain­te­re­so­wa­nych zapra­szam do tego tekstu). Dla porządku chciał­bym jedynie zazna­czyć, że super­sy­me­tria to coś więcej niż naukowy model; bliżej mu raczej do swego rodzaju zasady czy sposobu roz­my­śla­nia nad struk­turą wszech­świata. W drugiej połowie ubie­głego stulecia fizycy cząstek ele­men­tar­nych zauwa­żyli, że natura wręcz domaga się symetrii między budu­ją­cymi nas cegieł­kami. Jeśli jeste­ście scep­tyczni, przy­po­mnę, iż filo­zo­fia ta ma swoje źródło w kon­kret­nych odkry­ciach (a myśle­li­ście, że skąd wzięto pomysł ist­nie­nia anty­ma­te­rii?) raz po raz uzmy­sła­wia­ją­cych uczonym, że różne typy cząstek, a więc również prze­no­szone przezeń oddzia­ły­wa­nia,  mogą zacho­wy­wać się ana­lo­gicz­nie, o ile zapew­nimy im odpo­wied­nie warunki. To klucz do uni­fi­ka­cji całej ota­cza­ją­cej nas przyrody.

Sama SUSY zakłada ist­nie­nie wspólnej płasz­czy­zny między dwoma zupełnie odmien­nymi kate­go­riami cząstek. Nie wdając się w szcze­góły, fermiony to cząstki budujące całą nama­calną materię; bozony z kolei odpo­wia­dają za inte­rak­cje – prze­no­szą oddzia­ły­wa­nia pod­sta­wowe. Do tych pierw­szych należą zatem elek­trony, kwarki i wszyst­kie inne drobinki obecne w gwiaz­dach, pla­ne­tach i naszych ciałach; do bozonów zaś zali­czymy prze­kaź­niki sił jądro­wych (wuony, zetony, gluony), elek­tro­ma­gne­ty­zmu (fotony) i tak dalej. W swoim prze­wrot­nym sposobie myślenia, super­sy­me­try­ści uważają, że muszą istnieć odbicia fer­mio­nów w świecie bozonów i vice versa. Idąc tą drogą poszu­ku­jemy m.in. fotina będącego super­sy­me­trycz­nym part­ne­rem fotonu lub selek­tronu odpo­wia­da­ją­cego obecnemu w materii elek­tro­nowi. 

Superpartnerzy, kandydaci na ciemną materię

W tym sza­leń­stwie jest metoda. Oto postu­lu­jemy ist­nie­nie we wszech­świe­cie dwu­krot­nie większej ilości cząstek niż znamy obecnie. Co istotne dla nas, wiele wskazuje na to, że super­sy­me­tryczni part­ne­rzy są znacznie masyw­niejsi od skla­sy­fi­ko­wa­nych ory­gi­na­łów. Czy łowcy ciemnej materii mogli wymarzyć sobie lepszy prezent?

Teraz pozo­staje tylko budować coraz większe akce­le­ra­tory i ocze­ki­wać na złapanie nie­sfor­nych WIMP-ów. To już nie tylko kwestia żenu­ją­cej sytuacji w jakiej znajduje się współ­cze­sna fizyka (tacy jesteśmy mądrzy, a na dobrą sprawę nie znamy pod­sta­wo­wego elementu wypeł­nia­ją­cego cały kosmos!). Ciemna materia umożliwi nam nanie­sie­nie nie­zbęd­nych poprawek na model stan­dar­dowy, spraw­dzić domnie­ma­nia doty­czące wiel­kiego wybuchu i wreszcie, umoż­li­wić posta­wie­nie prognozy przy­szłej ewolucji wszech­świata. Przy czym, akurat ta ostatnia zagwozdka wymaga od nas zro­zu­mie­nia jeszcze jednego fizycz­nego ducha. Tej, nie­wi­dzial­nej ręce wszech­świata, przyj­rzymy się następ­nym razem.

Literatura uzupełniająca:
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014;
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 2005;
F. Zwicky, On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae, [online: http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept01/Zwicky/frames.html].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.