Tylko 3–5 proc. tego, z czego zbudowany jest Wszechświat, składa się z tzw. materii barionowej, czyli atomów – o których uczymy się w szkole – tworzących gwiazdy, mgławice, planety, krzesła, butelki szampana, a także nas samych. Ta materia świeci (jak gwiazdy lub gorący gaz) lub pochłania światło wyemitowane przez gwiazdy (jak obłoki zimnego gazu). Dzięki temu daje się zaobserwować. Pozostałe ok. 95 proc. zawartości kosmosu to materia, której obecność możemy stwierdzić tylko pośrednio – poprzez jej wpływ na ruchy gwiazd i galaktyk. To tzw. ciemna strona Wszechświata, czyli ciemna materia niebarionowa (tej jest ok. 23 proc.) i ciemna energia (aż 72 proc.).
Ciemną materię tworzą nieznane nam cząstki elementarne, które nie są ani protonami, ani neutronami – inaczej mówiąc, nie są znajomymi nam barionami. Natomiast ciemna energia związana jest z tajemniczą siłą odpychania (wszystkie podane tutaj liczby obarczone są kilkuprocentowym błędem).
Podejrzenie, że w kosmosie, poza widocznymi galaktykami i międzygwiazdowym gazem, musi się znajdować coś jeszcze i że jest tego bardzo dużo, po raz pierwszy zaświtało w głowie szwajcarskiego astronoma Fritza Zwicky’ego. W latach 30. XX w. obserwował on wielkie skupiska galaktyk, zwane gromadami. Masę gromady można zmierzyć, sumując masy wszystkich gwiazd we wszystkich galaktykach zawartych w gromadzie. Dostaniemy w ten sposób masę świecącą gromady. Można też odwołać się do dynamiki. Znając rozmiary Ziemi i przyspieszenie grawitacyjne, z jakim spadało słynne jabłko na głowę Izaaka Newtona, można obliczyć masę naszej planety. W podobny sposób można oszacować masę gromady, mierząc jej rozmiary oraz prędkości galaktyk tworzących gromadę i krążących w niej wokół wspólnego środka masy. W ten sposób wyznaczymy jej masę grawitacyjną. Zwicky ze zdumieniem stwierdził, że masa świecąca gromady jest wielokrotnie mniejsza od masy grawitacyjnej. Aby tę rozbieżność wyjaśnić, wysunął hipotezę, że brakującą masę należy przypisać materii, która nie świeci, ale oddziałuje z materią świecącą grawitacyjnie (...)
Rosyjski fizyk Gieorgij Gamow zauważył, że w ciągu trzech pierwszych minut swojego istnienia Wszechświat był wystarczająco gęsty i gorący, aby w wyniku reakcji termojądrowych ze stanu pierwotnego, zawierającego jedynie protony i neutrony, mogły powstać jądra atomowe kilku lekkich pierwiastków, w tym helu-4 oraz deuteru. Ten ostatni to izotop wodoru, zbudowany z jednego protonu i jednego neutronu. Obfitości wyprodukowanego helu i deuteru zależą od liczby barionów. W ten sposób, wiedząc z obserwacji, ile jest helu i deuteru, można obliczyć, ile powinno dziś być barionów na centymetr sześcienny. Tak ustalono, że ok. 90 proc. ciemnej materii to materia niebarionowa (...).
W maju 2007 r., za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble’a krążącego na orbicie wokół Ziemi, zaobserwowano zderzenie dwóch gromad galaktyk. W jego wyniku ciemna materia zawarta w galaktykach została odrzucona na zewnątrz, jak fale po wrzuceniu kamienia do wody, tworząc gigantyczny pierścień. Choć nie jest zbudowany z materii barionowej, można określić jego wielkość i kształt po tym, w jaki sposób obie gromady zakrzywiają światło obiektów znajdujących się za nimi. Ma on średnicę ok. 2,6 mln lat świetlnych. Uczonym udaje się więc coraz częściej identyfikować dynamiczne skutki obecności ciemnej materii, wciąż jednak nie udaje im się odpowiedzieć na pytanie, czym ona naprawdę jest.
– Najprawdopodobniej – kontynuuje prof. Juszkiewicz – w grę wchodzi zupełnie nowa, nieznana nam jeszcze cząstka, która oddziałuje z materią barionową niemal wyłącznie grawitacyjnie, tak że wszystkie inne rodzaje oddziaływań (jak siły elektromagnetyczne czy jądrowe), które pozwalają schwytać znane nam cząstki w laboratorium, w tym wypadku są zaniedbywalnie małe. Być może nowe, bardziej czułe detektory w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC), który rusza w tym roku w Europejskim Laboratorium Energii Jądrowej (CERN) w Genewie, pozwolą nam schwytać podejrzanego. Jeżeli to się nie powiedzie, trzeba będzie sięgnąć jeszcze głębiej i przebudować teorię grawitacji Einsteina (...).
W 1998 r. astronomowie badający odległe supernowe odkryli, że tempo rozszerzania się Wszechświata ulega przyspieszeniu, co było ogromnym zaskoczeniem. Tempo ekspansji powinno maleć z czasem, tak jak prędkość kamienia rzuconego pionowo w górę. Okazuje się jednak, że tempo rozszerzania malało jedynie na początku naszej kosmicznej historii. Po upływie ok. 1/7 jego dzisiejszego wieku Wszechświat zaczął się rozszerzać coraz szybciej. Taka historia tempa ekspansji sugeruje, iż powinniśmy do przyciągania grawitacyjnego dodać nową siłę – odpychającą.
Taką modyfikację rozważał sam Einstein, wprowadzając do swoich równań tak zwaną stałą kosmologiczną, którą następnie przyrównał do zera, powodując się ówczesnym stanem obserwacji oraz względami estetycznymi. Teraz wygląda na to, że mistrz niepotrzebnie się pospieszył. Model ze stałą kosmologiczną pasuje do obecnych danych jak ulał, co nie zmienia faktu, że nie mamy pojęcia, jaka jest jego natura fizyczna. Na pierwszy rzut oka stała kosmologiczna wygląda tak, jak gdyby do zupy kosmicznej, zawierającej materię barionową i niebarionową oraz promieniowanie elektromagnetyczne, został dodany nowy egzotyczny składnik – próżnia. W fizyce próżnia ma swoją strukturę i bierze aktywny udział w oddziaływaniach pomiędzy cząstkami elementarnymi. Cały problem polega jednak na tym, że wartość gęstości energii próżni, przewidywana przez obowiązującą teorię oddziaływań elementarnych, wynosi zero. Zamiast tego, z obserwacji gwiazd supernowych wynika, że gęstość energii próżni stanowi dokładnie owe 72 proc. wszystkiego, o czym wspomniano na początku.
Stąd też całkiem usprawiedliwione wydaje się nasze zdumienie, gdy uzmysłowimy sobie, że do 95 proc. otaczającej nas egzotycznej materii mamy dostęp jedynie pośredni, co zaostrza apetyt badawczy. Ale zaledwie sto lat temu, w 1908 r., wiedzieliśmy jeszcze mniej o strukturze owej zwyczajnej materii, niż dzisiaj wiemy o materii egzotycznej. Jedyną znaną (wtedy ledwie od 9 lat) cząstką elementarną był elektron, jądro atomowe zostało odkryte dopiero w 1911 r., neutron w 1932 r. O materii barionowej nikt nie słyszał, mimo że wszyscy mieli z nią cały czas bezpośredni kontakt.
Autor: Przemysław Berg
Źródło: polityka.pl
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz