Naukowcy są bezradni. To największa zagadka kosmosu

Trudno jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie – czym jest ciemna materia? Powód jest wręcz banalny. Pomimo wieloletnich badań wciąż tego do końca nie wiemy. Tak naprawdę jej istnienie, chociaż są na to pewne dowody, nie jest w 100 proc. pewne. Jednocześnie szacuje się, że — razem z ciemną energią — może stanowić aż 85-95 proc. masy całego Wszechświata. Wiem, brzmi to nieracjonalnie, ale takie też trochę jest.

Czym jest ciemna materia?

Ciemna materia to hipotetyczna materia, która nie emituje światła i oddziałuje ze zwykłą materią oraz promieniowaniem elektromagnetycznym wyłącznie za pośrednictwem grawitacji. Właśnie dlatego określamy ją mianem ciemnej. Normalnie nie jesteśmy w stanie jej zaobserwować. Jej istnienie obserwujemy jedynie dzięki temu, jak oddziałuje na inne obiekty. Można wręcz powiedzieć, że widzimy skutek, ale nie znamy jego przyczyny.

Badania wskazują, że ciemna materia to pewnego rodzaju kosmiczna sieć, wzdłuż której formują się struktury galaktyczne, determinując tym samym ewolucję i kształt Wszechświata. To ona utrzymuje galaktyki w ryzach, bo bez tego — wskutek wirowania — rozleciałyby się, ponieważ skutek samej grawitacji jest niewystarczający, aby trzymały się w kupie.

Według naukowców ciemna materia jest pozostałością po Wielkim Wybuchu. W tym, w ciągu pierwszych 10 nanosekund, odległość między cząstkami stała się tak duża, że te nie mogły ze sobą anihilować. Z tego powodu zostały niejako zamrożone w przestrzeni kosmicznej, i to z ustaloną gęstością.

Dowody na istnienie ciemnej materii

Taka przynajmniej jest teoria, bo nie ma konsensusu nie tylko co do tego, czym jest ciemna materia, ale też tego, czy w ogóle istnieje.

Ciemna materia jest stosunkowo prosta do wyjaśnienia jako koncepcja. Grawitacja to jedyna siła, która utrzymuje razem masywne struktury, takie jak galaktyki. Ale galaktyki obracają się tak szybko, że powinny się rozpaść — jak glina na kole garncarskim, gdy wiruje zbyt gwałtownie. Biorąc pod uwagę ilość materii, jaką w nich obserwujemy, nie ma wystarczającej siły przyciągania grawitacyjnego, by je utrzymać razem. Najpowszechniej akceptowanym wyjaśnieniem jest to, że galaktyki zawierają duże ilości niewidocznej materii, znanej jako ciemna materia, co czyni je bardziej masywnymi i zwiększa ich przyciąganie grawitacyjne

Natomiast są liczne dowody, które przemawiają za istnieniem ciemnej materii. Jednym z nich jest gromada galaktyk 1E0657-556. Naukowcy zaobserwowali, że miała ona nietypowy kształt pocisku. Badacze doszli do wniosku, że wynika to ze zderzenia z inną, mniejszą gromadą. Cały proces doprowadził to do spowolnienia gorącego gazu. Jednocześnie ciemna materia, która z normalną oddziałuje tylko grawitacyjnie, nie została spowolniona i z tego powodu widoczne stało się jej rozdzielenie w formie niebieskiego obłoku. Ten oddala się szybciej niż spowolniony gaz.

Wykryto to dzięki technice soczewkowania grawitacyjnego. Czym ona jest? Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że grawitacja masywnych obiektów zakrzywia czasoprzestrzeń, co powoduje, że światło przechodzące w pobliżu tych obiektów ulega zakrzywieniu. Zjawisko to nazywane jest soczewkowaniem grawitacyjnym. Obserwacje odległych galaktyk, których światło jest zakrzywiane przez masywne gromady galaktyk znajdujące się na pierwszym planie, ujawniają, że stopień zakrzywienia jest znacznie silniejszy, niż można by oczekiwać na podstawie samej widocznej materii w tych gromadach. To sugeruje obecność dodatkowej, niewidocznej masy, która wzmacnia efekt soczewkowania. W dużym uproszczeniu – oddziaływania grawitacyjnego jest więcej, niż wskazuje na to masa obiektów we wszechświecie.

Tego efektu nie dałoby się wyjaśni inaczej, niż właśnie poprzez istnienie ciemnej materii. Dla świata naukowego jest to jeden z najmocniejszych dowodów na istnienie tej zagadkowej siły. Rzecz w tym, że według niektórych naukowców problemem może być też to, że po prostu niewystarczająco zrozumieliśmy działanie samej grawitacji. Być może działa ona inaczej, niż zakładają nasze modele. Dlatego też powstały teorie (np. zmodyfikowania dynamika Newtona), które zakładają, że ciemnej materii nie ma, a jednocześnie starają się tłumaczyć zjawiska, które sugerują istnienie tej dodatkowej, nieznanej nam jeszcze siły.

Co z ciemną energią?

Do tego i tak już tajemnicze kociołka należy dodać jeszcze ciemną energię. Nie jest ona tym samy, co ciemna materia, ale razem stanowią one (według szacunków naukowców) nawet 95 proc. masy całego wszechświata, przy czym 68-72 proc. to ciemna energia, a około 27 proc. to ciemna materia.

Ciemna energia jest siłą odpychającą. To właśnie za jej sprawą ma dochodzić do ciągłego rozszerzania się wszechświata i jest to główny argument, który przemawia za jej istnieniem. Jednak tutaj również nie ma wśród naukowców konsensusu, że ona istnieje. Wielu ekspertów uważa, że rozszerzanie wszechświata może wynikać z niedokładności części ogólnej teorii względności, dotyczącej grawitacji. Tym samym znowu wracamy do tego samego – obserwowane efekty sugerują, że ciemna energia istnieje, ale również dobrze może to wynikać z błędnych modeli i niewystarczającej wiedzy na temat tego, jak fizyka działa w kosmosie.

Ciemna energia to nieznana przyczyna, w wyniku której rozszerzanie się wszechświata wydaje się przyspieszać. Gdyby nic tego nie powodowało, spodziewalibyśmy się, że ekspansja będzie zwalniać pod wpływem grawitacji. Tymczasem istnieje wiele dowodów na to, że rozszerzanie się przyspiesza coraz bardziej. Nadal istnieje możliwość, że to błąd pomiaru, ale zakładając, że nie, wówczas ciemna energia jest nazwą na nieznany jeszcze czynnik odpowiedzialny za to przyspieszenie.

Co dalej?

Podejrzewam, że jeśli do tej pory nie interesowały was te tematy, to po lekturze tego tekstu macie więcej pytań niż odpowiedzi. Nie martwcie się, nie ma w tym nic złego. To samo mogą powiedzieć naukowcy, którzy dwoją się i troją, aby rozwiązać te zagadki, a cały czas nie mają jednoznacznych odpowiedzi. Nie ma wśród nich nawet zgody, co do podstawowych kwestii, czy ciemna materia i energia w ogóle istnieją.

Jedno jest pewne – rozwikłanie tej zagadki może być kluczowe dla zrozumienia procesów zachodzących we wszechświecie. Jakie może mieć konsekwencje dla świata nauki?