Читать книгу Nie mamy pojęcia - Jorge Cham - Страница 8

2

Co to jest ciemna materia?

Właśnie w niej pływasz!

Oto wykres kolumnowy masy i energii w znanym nam wszechświecie:

Fizycy uważają, że aż 27 procent materii i energii w znanym wszechświecie składa się z czegoś, co nazywają „ciemną materią”. Znaczy to, że większość materii we wszechświecie to inna materia niż ta, którą od wieków badamy. Tej tajemniczej materii jest aż pięć razy więcej niż materii „normalnej” – tej, którą znamy. Tak naprawdę to właściwie niezbyt słusznie nazywamy tę naszą materię „normalną”, skoro w rzeczywistości jest ona dość rzadko spotykana we wszechświecie.

Czym zatem jest ta ciemna materia? Czy jest niebezpieczna? Czy może ci pobrudzić ubranie? Skąd wiemy, że istnieje?

Ciemna materia jest wszędzie. Właśnie teraz w niej pływasz. Hipotezę, że istnieje, po raz pierwszy zaproponowano w latach dwudziestych XX wieku, a potraktowano poważnie w latach sześćdziesiątych, kiedy to astronomowie zauważyli coś dziwnego w ruchu obrotowym galaktyk i powiązali to z wielkością ich masy.

Skąd wiemy, że ciemna materia istnieje?

1. Wirujące galaktyki

By zrozumieć związek ciemnej materii z wirującymi galaktykami, wyobraź sobie, że rozsypujesz mnóstwo piłeczek pingpongowych na podłodze dużej karuzeli w wesołym miasteczku. A teraz wyobraź sobie, że karuzela zaczyna się kręcić. Domyślasz się pewnie, że piłeczki potoczą się w kierunku od środka i pospadają z karuzeli. Wirująca galaktyka działa prawie tak samo[1]. Ponieważ galaktyka się obraca, należące do niej gwiazdy powinny chcieć z niej wylecieć. Jedyne, co je w niej trzyma, to siła grawitacji, która pochodzi z całej masy obecnej w galaktyce (grawitacja ściąga do siebie rzeczy obdarzone masą). Im szybciej wiruje galaktyka, tym więcej masy potrzeba, by utrzymać w niej składające się na nią gwiazdy. I odwrotnie: jeśli zna się masę galaktyki, to można przewidzieć, jak szybko galaktyka potrafi wirować.

Astronomowie najpierw próbowali odgadnąć masę galaktyk, licząc, z ilu gwiazd się składają. Kiedy jednak użyli tak oszacowanej masy do wyliczenia, jak szybko galaktyki te powinny wirować, wyszło na jaw, że coś się nie zgadza. Pomiary wykazały, że galaktyki wirują szybciej, niż przewidywano na podstawie liczby zawartych w nich gwiazd. Innymi słowy, przy prędkości takiej jak ta zmierzona, gwiazdy powinny wylatywać poza granice swoich galaktyk, dokładnie tak jak piłeczki pingpongowe na karuzeli. Aby wyjaśnić tę wysoką prędkość obrotową, astronomowie musieli w swoich obliczeniach do mas galaktyk dodać duże liczby – dopiero wówczas wszystkie gwiazdy trzymały się razem. Naukowcy nie widzieli jednak nigdzie tej dodatkowej wprowadzonej do obliczeń masy. Tę sprzeczność można było rozwiązać, zakładając, że w każdej galaktyce jest bardzo dużo jakiejś ciężkiej materii, która jest niewidoczna, to znaczy „ciemna”.

Takie twierdzenie było zupełnie nadzwyczajne. A jak powiedział kiedyś słynny astronom Carl Sagan: „Nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów”. Dlatego ta dziwna zagadka w środowisku astronomów przez całe dziesięciolecia pozostawała niezrozumiała. Z upływem lat zaczęto coraz powszechniej uznawać istnienie tego tajemniczego, niewidzialnego, ciężkiego czegoś (albo ciemnej materii, jak przyjęło się ją nazywać).

2. Soczewkowanie grawitacyjne

Inną ważną wskazówką, która przekonała naukowców, że ciemna materia istnieje naprawdę, było dostrzeżenie, że może ona zakrzywiać światło. Nazywa się to soczewkowaniem grawitacyjnym.

Astronomom zdarza się czasem spojrzeć w niebo i wypatrzyć coś dziwnego. Bywa, że zobaczą w jakimś miejscu na niebie obraz galaktyki. Nie ma w tym nic niezwykłego, ale zdarza się, że jeśli odrobinę przesuną teleskop, zobaczą obraz innej galaktyki, która wygląda bardzo podobnie do tej poprzedniej. Kształt, kolor i światło dochodzące z tych galaktyk są tak podobne, że astronomowie nie mają wątpliwości: to ta sama galaktyka. Ale jak to możliwe? W jaki sposób ta sama galaktyka może pojawiać się na niebie w dwóch miejscach?

Występowanie dwóch obrazów tej samej galaktyki można wyjaśnić, jeśli pomiędzy obserwatorem a tą galaktyką znajduje się coś ciężkiego (i niewidzialnego); ta niewidzialna ciężka masa może działać jak gigantyczna soczewka, zakrzywiając światło biegnące z galaktyki tak, że wydaje się, jakby docierało do obserwatora z dwóch kierunków.

Wyobraź sobie światło rozchodzące się z tej galaktyki na wszystkie strony. Teraz przyjrzyj się dwóm cząstkom światła, znanym jako fotony, które opuszczają obserwowaną galaktykę i zmierzają w twoją stronę, mijając cię odrobinę z obu stron. Jeśli między tobą a tą galaktyką znajduje się coś ciężkiego, to grawitacja tego czegoś zniekształci przestrzeń i sprawi, że cząstki światła zakrzywią swój tor w twoim kierunku[2].

Na Ziemi zobaczysz to w swoim teleskopie jako dwa obrazy tej samej galaktyki docierające z różnych kierunków – z różnych miejsc na niebie. Efekt ten zaobserwowano na całym nocnym niebie; to ciężkie i niewidzialne coś wydawało się występować wszędzie. Wkrótce ciemna materia przestała być szalonym pomysłem. Gdzie okiem sięgnąć, widać było dowody na jej istnienie.

3. Zderzenie galaktyk

Najbardziej przekonujący dowód na istnienie ciemnej materii pojawił się podczas obserwacji gigantycznego zderzenia galaktyk. Przed milionami lat miało miejsce niezwykłe wydarzenie: wpadły na siebie dwie gromady galaktyk; spóźniliśmy się na sam moment zderzenia, ale ponieważ biegnące stamtąd światło potrzebuje milionów lat, by do nas dotrzeć, możemy rozsiąść się wygodnie w fotelu i oglądać eksplozje, które to zderzenie spowodowało.

Kiedy dwie gromady galaktyk wpadły na siebie, gaz i pył w każdej z nich zderzyły się ze sobą, dając w rezultacie wspaniałe widowisko: wielkie eksplozje, rozrywające się gigantyczne chmury materii – spektakularny pokaz efektów specjalnych. Być może łatwiej będzie to sobie wyobrazić jako zderzenie dwóch olbrzymich grup balonów z wodą, które ciśnięto na siebie z potworną prędkością.

Astronomowie zauważyli jednak coś jeszcze. W pobliżu miejsca zderzenia dostrzegli dwa gigantyczne skupiska ciemnej materii; oczywiście ta ciemna materia była niewidzialna, ale naukowcom udało się wykryć ją pośrednio, dokonując pomiarów wywołanego przez te skupiska zniekształcenia światła, które pochodziło od znajdujących się za nimi galaktyk. Te dwa skupiska ciemnej materii wydawały się poruszać wzdłuż kierunku, wzdłuż którego doszło do zderzenia, jak gdyby nic w tym miejscu się nie stało.

Astronomowie połączyli to wszystko tak: były dwie gromady galaktyk, w każdej znajdowała się zwykła materia (w większości gaz i pył plus trochę gwiazd) oraz ciemna materia. Kiedy te dwie gromady się zderzyły, większość zwykłej materii wpadła na siebie, tak jak się można było tego spodziewać. Ale co się dzieje, kiedy ciemna materia wpada na ciemną materię? O ile dobrze widzimy – nic! Skupiska ciemnej materii przemieszczają się dalej i przechodzą przez siebie na wylot – prawie jakby były dla siebie niewidzialne. Podobnie stało się z większością gwiazd – ale to dlatego, że są przestrzennie rozproszone.

Olbrzymie ilości materii, większe niż wiele galaktyk, przeszły wprost przez siebie. W zasadzie w wyniku tego zderzenia galaktyki zostały pozbawione ciemnej materii.

Ciąg dalszy dostępny w wersji pełnej.

[1] Z tą różnicą, że galaktyki są na ogół nieco większe niż karuzele.

[2] Hipotezę zakrzywienia światła pod wpływem grawitacji zaproponował, a później udowodnił Albert Einstein. Podobno był z niego całkiem mądry facet.