Ciemna materia: skąd wiemy, że istnieje‪?‬ Świat w trzy minuty

Czy wiesz, że w przeważającej większości wszechświat zbudowany jest z czegoś, czego nie jesteśmy w stanie poczuć, zbadać czy zaobserwować? Co więcej, to coś nie jest gdzieś daleko, tylko nas otacza. Skąd to wiemy? O tym 84 odcinek podkastu Świat w trzy minuty. I po krótkiej przerwie wita was Łukasz Jachowicz.



To po kolei. Mamy ileś tam zmysłów (nie pięć), dodatkowo mamy urządzenia które pomagają nam zbadać świat i odnotować istnienie czegoś, czego nie odczuwamy tymi zmysłami. Więc mamy oczy, teleskopy i radioodbiorniki. Wydaje nam się, że potrafimy w jakiś sposób zaobserwować całą otaczającą nas rzeczywistość. Tymczasem okazuje się, że świat, który znamy nie do końca jest taki, jak nam się wydaje.

Wyobraźmy sobie wirującą galaktykę. Wchodzące w jej skład gwiazdy powinny się oddalić od jej centrum i odfrunąć w przestrzeń – ale trzyma je siła grawitacji zależna od masy tej galaktyki. Więc znając łączną masę wszystkiego, co wchodzi w skład galaktyki możemy obliczyć, jak szybko może wirować bez utraty gwiazd.

Jak obliczyć masę galaktyki? Na przykład sumując masę wchodzących w jej skład gwiazd, gazów i pyłów. Nie jest to trywialne, ale w przybliżeniu wykonalne. Tylko jest kłopot. Sumaryczna masa znanych nam galaktycznych obiektów nie uzasadnia prędkości rotacji galaktyk. Brakuje trochę kilogramów. Tak konkretnie to nie potrafimy się doliczyć 85% masy wszechświata. Oraz odrobiny energii.

To, czego nie możemy się doliczyć, nazwano ciemną materią i ciemną energią.

Nie będę wchodził w to, czym może być ciemna materia – bo tego nie wiemy. Ale zupełnie nie przeszkodziło nam w policzeniu, ile jej jest – i udowodnieniu, że istnieje. W jaki sposób?

Najpierw fizycy zauważyli, że masa obserwowanego wszechświata nie zgadzała się z równaniami łączącymi masę i prędkość obrotową galaktyk. Gdyby grawitacja na dużych dystansach działała inaczej niż na małych – to wszystko by nam się ładnie policzyło, tak nie jest. I to jest pierwsza wskazówka, że czegoś nie widzimy.

Grawitacja jest potężną siłą, potrafi zakrzywić światło. Efektem tego jest soczewkowanie grawitacyjne – opowiem o tym kiedyś szerzej. Dziś tylko zasygnalizuję, że coś niewidzialnego – coś, czego nie potrafimy zaobserwować żadnym instrumentem – zakrzywia nam światło generowane przez odległe galaktyki. Tak, jakby gdzieś po drodze była wielka niewidzialna soczewka. I to jest wskazówka numer dwa.

No i wreszcie najbardziej widowiskowy element. Gdy zderzają się dwie galaktyki, cząstki materii uderzają o siebie i rozbryzgują się na ogromne odległości. I tak się dzieje z normalną materią. Tymczasem na linii kolizji galaktyk naukowcy zaobserwowali soczewkowanie grawitacyjne wskazujące, że nie tylko zwykła materia brała udział w kosmicznej eksplozji, lecz przesuwała się tam również ciemna materia. Co ciekawe, bez rozbryzgu. Przeszła przez zwykłą i ciemną materię drugiej galaktyki zupełnie na nią nie wpływając.

Wygląda na to, że na razie jedyną znaną nam siłą, którą ciemna materia wpływa na nasze 5% obserwowalnego świata, jest grawitacja. To trochę utrudnia nam jej dokładne zbadanie – ale też udowadnia, że w fizyce jeszcze dużo odkryć przed nami.