Wamp z kosmosu

Wszechświat jest ciemny. Takie wrażenie odnosi obserwator nocnego, bezchmurnego nieba, z jasnymi punkcikami gwiazd i galaktyk porozrzucanych chaotycznie na wszechogarniającym czarnym tle. Podobne zdanie na temat budowy kosmosu mają współcześni astrofizycy i kosmologowie. Według najlepszej wiedzy, Wszechświat zbudowany jest z galaktyk, składających się z miliardów gwiazd, które jednak w skali kosmosu są tylko niewielkimi wyspami – skupiskami materii rozrzuconymi w ciemnej przestrzeni.

Przestrzeń ta, choć smolistoczarna, nie jest pusta. Jednym z najważniejszych odkryć kosmologii przełomu XX i XXI w. było pokazanie, że cały kosmos – gwiazdy, galaktyki i przestrzeń międzygalaktyczną – przenika tzw. czarna energia, stanowiąca ok. 70 proc. całej energii (lub zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc2 – masy) Wszechświata. Energia ta, której natury dotychczas nie znamy, powoduje, iż kosmos nie tylko rozszerza się, ale czyni to coraz szybciej.

To właśnie badanie ewolucji Wszechświata jako całości, możliwe dzięki nowej generacji przyrządów astronomicznych, naziemnych i orbitalnych, pozwoliło na pośrednie zmierzenie energii zawartej w całym obserwowanym kosmosie i pokazanie, że widzialnej materii jest stanowczo za mało, by można było wyjaśnić wzrastające tempo rozszerzania Wszechświata: potrzebna jest do tego niezwykła, praktycznie niezauważalna, ciemna energia.

Błędne jednak byłoby mniemanie, iż pozostałe 30 proc. masy Wszechświata stanowi zwykła materia w świecących blaskiem gwiazd galaktykach. Jeśli wykonać bilans masy galaktyki, okaże się, że materia świecąca to zaledwie niewielki ułamek, około 2 proc. Mniej więcej 10 proc. to materia w postaci rozrzedzonej plazmy, podgrzanej do niezwykle wysokiej temperatury. Plazma ta jest na tyle gorąca, że emituje silne promieniowanie rentgenowskie, umożliwiające jej obserwację nawet z bardzo dużych odległości.

Już kilkadziesiąt lat temu astronomowie zauważyli, że zwykłej materii, w postaci gwiazd i plazmy, nie ma w galaktykach wystarczająco dużo, by dało się wyjaśnić wszystkie obserwowane zjawiska. Bilans się po prostu nie zgadzał. Gdyby galaktyki zbudowane były tylko z materii znanej nam z doświadczeń naziemnych, ich masa musiałaby być znacznie mniejsza niż w rzeczywistości. Śledząc ruchy gwiazd w galaktykach astronomowie zdali sobie sprawę, że nie mogą być one spowodowane jedynie wpływem widzialnej materii, innych gwiazd i plazmy międzygwiezdnej. Gwiazdy poruszały się szybciej, niż powinny. Efekt ten jest niezwykle słaby w skali Ziemi czy planet Układu Słonecznego, ale staje się dominujący w przypadku gwiazd krążących w galaktykach. Musi istnieć coś, co powoduje owo przyspieszenie gwiezdnego ruchu. To niewidzialne coś nazwano ciemną materią, by podkreślić jej najbardziej charakterystyczną cechę: ciemna materia nie świeci i dlatego nie można jej za pomocą teleskopów zobaczyć. Nie wiadomo zbyt wiele, z czego
ciemna materia się składa, ale astrofizycy i fizycy zaproponowali tuziny wyjaśniających teorii. Według najpopularniejszej, w jej skład wchodzą nieznane dotychczas egzotyczne cząstki elementarne, tak niezwykle słabo oddziałujące ze zwykłą materią, że nie udało się ich bezpośrednio zaobserwować w przeprowadzonych doświadczeniach. Oczywiście owe hipotetyczne cząstki mają już swoje tajemnicze nazwy: mówi się o aksjonach, sterylnych neutrinach czy wampach.

Do niedawna ciemną materię znaliśmy tylko z obserwacji pośrednich. Trudność jej bezpośredniego badania polega na tym, że w galaktykach rozkład ciemnej materii pokrywa się w zasadzie z rozkładem materii świecącej – tak jak w dobrze zrobionym keksie, gdzie bakalie rozłożone są równomiernie w całej objętości ciasta.

Równowaga ta zachwiana zostaje jednak w przypadku rzadkich, ale spektakularnych katastrof kosmicznych, jakimi są zderzenia galaktyk. Wówczas to ruch galaktycznej plazmy obu z nich zostaje spowolniony przez działanie sił oporu, w efekcie po zderzeniu plazma rozlatuje się niezbyt szybko. Powstała w czasie zderzenia fala uderzeniowa powoduje, że plazma przyjmuje charakterystyczny kształt pocisku. Ciemna materia natomiast nie czuje oporu materii, przez którą przelatuje, a więc porusza się przez cały czas z praktycznie niezmienioną dużą prędkością. W rezultacie, po zderzeniu, materia obu galaktyk składa się ze stosunkowo wolno poruszającej się plazmy, znacznie wyprzedzanej przez obłok ciemnej materii.

To, że zwykła i ciemna materia ulegają podczas zderzeń galaktyk rozdzieleniu, nasuwa pomysł, że można by takie zjawiska wykorzystać do bezpośredniej obserwacji tej ostatniej. Tak właśnie postąpiła grupa badaczy, kierowana przez amerykańskiego astronoma Douglasa Clowe’a. Ich uwagę przykuł obiekt o oznaczeniu katalogowym 1E0657-558, zwany z racji swojego kształtu Kulą Rewolwerową, a będący w istocie dwoma galaktykami, które zderzyły się ze sobą około 100 mln lat temu. Zadaniem naukowców było bezpośrednie sprawdzenie, czy plazma galaktyczna, rozbiegająca się po zderzeniu, rzeczywiście poprzedzona jest obłokiem ciemnej materii. Tylko jak to zrobić?

Plazmę zaobserwować jest stosunkowo łatwo: podgrzana na skutek zderzenia jest mocnym źródłem promieniowania rentgenowskiego, które obserwować można za pomocą czułego orbitalnego detektora Chandra. Ale jak zobaczyć ciemną materię – coś, czego nie widać?

Okazuje się, że można to uczynić korzystając z jednego z fundamentalnych przewidywań teorii względności Einsteina, polegającego na tym, że w wytworzonym przez masy polu grawitacyjnym promienie świetlne ulegają odchyleniu. Jeśli więc obłok ciemnej materii znajduje się między Ziemią a jakąś odległą galaktyką, jej kształt widziany przez nas okaże się nieco zdeformowany, a deformacja ta nieść będzie informację o sile pola grawitacyjnego w obłoku, a więc również o jego masie. Oczywiście, efekt ten jest bardzo słaby i żeby jego istnienie ustalić bez cienia wątpliwości, należy dokonać gigantycznej pracy: analizy obrazów wielu galaktyk, które – jak się podejrzewa – znajdują się za obłokiem ciemnej materii. Ta praca przyniosła jednak owoce i zespół Douglasa Clowe’a mógł z dumą ogłosić, że po raz pierwszy mamy bezpośredni dowód istnienia ciemnej materii. Okazało się, że rzeczywiście główna część masy odłamków powstałych w wyniku zderzenia dwóch galaktyk nie pokrywa się z rozkładem plazmy, ale znacząco wyprzedza jej
ruch. Jest więc dokładnie tak, jak przewiduje teoria istnienia ciemnej materii. „Dowodzi to jasno i bezpośrednio, że ciemna materia istnieje – mówił ze zrozumiałym entuzjazmem członek grupy badawczej Maxim Markevitch. – Rozwiewa też wszelkie wątpliwości, jakie kosmologowie mogli jeszcze mieć”.

Jeśli odkrycie zostanie potwierdzone, będzie zapewne uznane za jedno z najważniejszych osiągnięć astronomii ostatnich lat. Ale oczywiście, jak każde znaczące odkrycie w nauce, rodzi ono więcej pytań, niż udziela odpowiedzi. Jeśli ciemna materia rzeczywiście istnieje, coraz bardziej palące staje się pytanie, z czego owa dziwna substancja jest zbudowana i jak powstała w trakcie ewolucji Wszechświata? A może – jak chcą tego zwolennicy pewnych ekscentrycznych teorii – ciemnej materii w ogóle nie ma, a zaobserwowane zjawisko spowodowane jest odstępstwami zachowania grawitacji od przewidywań teorii Einsteina i Newtona? Pomimo deklaracji Markevitcha taka możliwość wcale nie jest wykluczona. Naukowcy mają więc to, co kochają najbardziej: nowe wyzwania.

Jerzy Kowalski-Glikman