Barionowa gra w chowanego

Dwa niezależne zespoły odnalazły ostatnio wielką zgubę, pod postacią niewyobrażalnie rozległych chmur międzygalaktycznej materii barionowej. 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%.

Przykłady barionu i mezonu

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 materii barionowej powinno istnieć w całym widzialnym wszechświecie.

Znana materia barionowa na tle nieznanych elementów wszechświata

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.
Ogromna struktura znana jako bańka Lyman-alfa
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.
Zagadka ruchu trzech ciał Czarna dziura w NGC 1277 – to się nazywa bestia! Gdy zamarza piekło – o zerze absolutnym