User Rating: 4 / 5

Star ActiveStar ActiveStar ActiveStar ActiveStar Inactive
 

Sposób, w jaki gwiazdy poruszają się w galaktykach, a galaktyki w gromadach, zdaje się wskazywać na obecność czegoś więcej ponad to, co potrafimy zaobserwować. Przez całe dziesięciolecia naukowcy podejrzewali, że przyciąganie grawitacyjne jasnej materii nie wystarczy, by zadowalająco wytłumaczyć ruchu gwiazd i galaktyk. Holenderski astronom Jan Oort na początku lat trzydziestych badał zachowanie gwiazd, leżących na obrzeżach Drogi Mlecznej, chcąc lepiej zrozumieć ich dynamikę. Mierzył odległości do gwiazd, znajdujących się nad lub pod dyskiem galaktycznym, oraz obliczał, jaką masę musi mieć Droga Mleczna, aby utrzymać gwiazdy na swoich orbitach. Stwierdził, że obserwowane przez niego ruchy gwiazd wymagają, by Droga Mleczna miała masę trzykrotnie przewyższającą masę zawartej w niej widocznej materii. Mniej więcej w tym samym czasie Amerykanin, Fritz Zwicky, dostarczył jeszcze silniejszych dowodów na to, że Wszechświat zawiera coś jeszcze oprócz świecącej materii. Zwicky analizował zachowanie galaktyk w gromadzie w Warkoczu Bereniki. Chciał wyznaczyć masę, która pozwoliłaby siłom grawitacyjnym związać je ze sobą. Była ona trzysta razy większa od obserwowanej. Wysnuł więc hipotezę, że większość materii w gromadzie w Warkoczu Bereniki nie świeci. Na początku lat siedemdziesiątych zespół Very Rubin z Instytutu Carnegie w Waszyngtonie dostarczył najbardziej przekonującego dowodu istnienia ciemnej materii na podstawie badań tzw. krzywych rotacji galaktyk, przedstawiających orbitalne prędkości gwiazd i obłoków gazu międzygwiazdowego w funkcji odległości od centrum galaktyki. W Układzie Słonecznym krzywe rotacji planet są dobrze opisywane prawami Keplera. Ponieważ większość materii naszego układu leży w jego centrum, prędkość planet maleje gwałtownie wraz ze wzrostem promienia orbity. W przypadku Drogi Mlecznej, Mgławicy Andromedy oraz innych galaktyk spiralnych, wynik jest odmienny - krzywe rotacji galaktyk zamiast opadać wraz z odległością, mają przebieg prawie stały. Oznacza to, że masa galaktyki nie jest skoncentrowana w jądrze, lecz musi być dość równomiernie rozłożona w całej objętości. Aby tak było, duże ilości ciemnej materii muszą istnieć w halo galaktycznym. Wniosek jest taki, że od 90 do 99 % Kosmosu to materia, której nie da się zaobserwować za pomocą teleskopu.

Zaproponowano dotychczas kilka teorii na temat - czym jest substancja wypełniająca przestrzeń kosmiczną? Mogą to być: masywne zwarte obiekty halo galaktycznego (MACHO), słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) oraz obdarzone masą neutrina. MACHO to gęste ciała występujące w peryferyjnych obszarach galaktyk. Nie emitują obserwowalnych ilości energii, a o swoim istnieniu dają znać jedynie poprzez grawitacyjne oddziaływania z innymi ciałami. Pierwsze z tych ciemnych obiektów zostały odkryte w 1993 roku. Naukowcy posłużyli się teleskopem o prawie dwumetrowej średnicy, znajdującym się w obserwatorium Mount Stromlo koło Canberry. Każda z grup naukowców znalazła inne przykłady MACHO, które grawitacyjnie soczewkowały światło gwiazd z odległego Wielkiego Obłoku Magellana. Grawitacyjne soczewkowanie jest zjawiskiem wynikającym z ogólnej teorii względności, która dopuszcza, aby materia leżąca pomiędzy Ziemią a odległym obiektem zmieniała wygląd tego obiektu. Duża masa może zaginać promienie światła, a nawet skupiać je jak soczewka. MACHO znajdowały się właśnie pomiędzy Ziemią a czerwonym olbrzymem z Wielkiego Obłoku Magellana, co spowodowało krótkie skupienie docierającego do obserwatora światła gwiazdy. Możliwe, że niektóre z MACHO są czerwonymi bądź brązowymi karłami. Jednak w większości są to raczej białe karły. Prawdopodobnie tak jak nasze Słońce, były one niegdyś gwiazdami ciągu głównego, które w trakcie ewolucji wypaliły całe paliwo jądrowe. Naukowcy zaproponowali jeszcze innych kandydatów na MACHO - planety o rozmiarach Jowisza, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Astronomowie są przekonani, że MACHO stanowią prawie połowę ciemnej materii galaktycznej. W ciągu ostatnich kilku lat znaleziono mocne dowody na istnienie MACHO.

WIMP-y to hipotetyczne cząstki, które słabo oddziaływają ze zwykłą materią. Wśród nich wymieńmy aksjony (masywne cząstki zaproponowane w modelach wczesnego Wszechświata), cząstki supersymetryczne oraz inne egzotyczne mikroobiekty. Niektórzy naukowcy próbują wykryć WIMP-y badając produkty przejściowe zderzeń zwykłych cząstek. W tym celu są one rozpędzane do ogromnych prędkości w gigantycznych akceleratorach. Można także badać małe próbki miki, która liczy pół miliarda lat, oraz szukać w niej śladów uderzeń WIMP-ów. Zgodnie z teorią cząstek, WIMP wnikający w skałę ma pewną szansę wybić jedno z jąder atomów tworzących minerał. Ruch wybitego jądra spowodowałby wyrzucenie elektronów sąsiednich atomów.

Kolejnymi kandydatami na ciemną materią są neutrina. Teoretycy obliczyli, że gdyby neutrino miało choćby minimalną masę, problem ciemnej materii byłby rozwiązany. Wszechświat wypełnia niezliczone mnóstwo neutrin, ich całkowita masa byłaby więc i tak ogromna. Niestety, kolejne eksperymenty wykazały, że neutrino ma zerową masę. W 1994 roku neutrino znowu poddano obserwacjom. Fizycy z Los Angeles zmierzyli masy rozpadających się elektronów, posługując się cysterną wypełnioną olejem mineralnym oraz zestawem 1220 detektorów światła. Neutrina zaobserwowano w trakcie tzw. oscylacji, czyli procesu ich przemiany w inne cząstki. Podczas rozpadu emitowały one światło o rozkładzie zależnym od masy. To promieniowanie zostało zarejestrowane przez detektory, a następnie przeanalizowane. Fakt, że neutrina przechodzą metamorfozy, świadczy o ich niezerowej masie. Cząstki bezmasowe nie mogą zmieniać swojej formy, obdarzone zaś masą w sprzyjających warunkach mogą ulec rozpadowi.

Comments (1)

5000 characters remaining

Cancel or

  • Olgierd Żmudzki
    Jednym z największych odkryć astronomii w XX wieku było zauważenie istnienia ciemnej materii i energii. Wielkim zaskoczeniem było jak wiele jest tych materii, jak niewiele tej z której się składamy. Nazywamy ją materią barionową i w jej skład chodzą wszystkie pierwiastki znane z tablicy Mendelejewa. Możemy napotkać na różne oceny jak wiele jest wspomnianych materii we Wszechświecie. Różne szacunki wskazują, że znanej nam materii jest 5%, ale pojawia się opinia, że materia świecąca to tylko 1% masy Wszechświata. To oceny będące jedynie hipotezami. Co jednak wiemy o ciemnej materii. Udało się nam zauważyć jej oddziaływanie grawitacyjne, jej masy. Bo masa zauważonych gwiazd w galaktyce jest 5.5 razy mniejsza od masy całej galaktyki.
    Przykład pierwszy oddziaływania ciemnej materii dotyczy zwłaszcza masy gwiazd znajdujących się marginesach galaktyki, które obracają się wokół centrum znacznie szybciej niż gwiazdy bliższe centrum. Gdyby nie były kilkakrotnie cięższe dzięki istnieniu i oddziaływaniu grawitacyjnym ciemnej materii to uleciałyby poza galaktykę.
    Przykład drugi dotyczy zjawiska nazywanego grawitacyjnymi soczewkami. Zauważono, że dociera do nas światło z odległych galaktyk mimo, że na jego drodze znajduje się jakaś bliższa nam galaktyka. Otóż światło tej odległej galaktyki zagina się omijając galaktykę bliższą. Aby takie zjawisko nastąpiło ta bliższa nam galaktyka winna mieć odpowiednią masę. Jednak obliczenia wskazują, że wszystkie gwiazdy tej galaktyki w sumie takiej masy nie mają. Musi w tej galaktyce istnieć masa kilkakrotnie większa od masy tych gwiazd. To masa ciemnej materii, która wstępuje tej galaktyce w postaci nazwanej słowem:halo.
    Jak ciemna materia zwiększa masę galaktyk czy masę gwiazd biegnących po obwodzie galaktyki. Na takie pytanie brak do tej pory odpowiedzi. Bo istnieje kilka możliwości. Ciemna materia może wypełniać przestrzeń międzygwiezdną lub otaczać galaktykę by możliwe stało się uginanie światła lecące spoza niej. Albo otaczać gwiazdy niewidzialnym kokonem zwiększając ich masę na obrzeżach galaktyki. Te rozwiązania wydają się niezbyt prawdopodobne. Sugerują istnienie ciemnych obłoków niewidzialnej materii, w której zanurzone są widoczne dla nas obiekty. Ponieważ nie możemy tej materii zobaczyć możliwe jest nieco inne wyjaśnienie tego problemu.
    Możemy sobie wyobrazić Wszechświat składający się początkowo jedynie z ciemnej materii i energii. Z galaktyk z super ciemną dziurą w środku i skupiskami tej materii po 200 miliardów na każda galaktykę. I nagle ciemna materia dotknięta chorobą, wręcz zarazą obejmująca jedną czwartą ich masy. To materia barionowa, z której się składamy. Gdy materii jest odpowiednio dużo wtedy generują się w niej reakcje jądrowe i powstaje gwiazda – słońce. Gdy jej nie będzie dużo, w takim systemie nie powstanie drugie słońce, jak to się stało z naszym Jowiszem.
    Sytuacja wygląda następująco. Mamy podstawową materię Wszechświata - ciemną. Jedna czwarta tej materii uległa przemianom, w wyniku których powstała materia barionowa. Lecz oba te materie istnieją w tym samym miejscu, w tej samej przestrzeni tylko, że my nic o tym nie wiedzą. Ten układ z naszym słońcem liczy sobie 4,5 miliardów lat. Wtedy powstały skupiska ciemnej materii, które pozwoliły naszej barionowej materii powstać i z nią się scalić.