Czym jest ciemna materia i ciemna energia? Nie widzimy ich, ale wiemy, że tam są

Nie wiemy czym jest ciemna materia, a także skąd się bierze, jakie ma - poza kilkoma - właściwości, jak wygląda ani z czego jest zbudowana. W zasadzie nie wiemy o niej nic oprócz kilku rzeczy, które jednak nie zdradzają jej istoty. Skąd w takim razie wiemy, że w ogóle istnieje? Odpowiedź na to pytanie jest piękną ilustracją tego, czym jest nauka, a ściślej naukowy sposób myślenia i dochodzenia do wniosków. Przykładem tego, czym jest logiczne myślenie, które sprawdza się w każdej dziedzinie nauki i jeśli się nad tym zastanowić, w większości sytuacji w naszym codziennym życiu.

Czytaj także:
- W kosmosie coś potężnie rąbnęło. Wybuch był tak duży, że oślepił obserwatoria
- Planety zbudowane z ciemnej materii - jak je odnaleźć?
- Gotowanie, zamrażanie, próżnia, promieniowanie, brak wody. Dla niesporczaków to bułka z masłem!

Wiemy, że ciemna materia istnieje dlatego, że ilość zwykłej materii, czyli tej zbudowanej z atomów lub jonów, we wszechświecie jest zdecydowanie zbyt mała do wygenerowania oddziaływań grawitacyjnych, jakie obserwujemy. Dlaczego wspominam tu o grawitacji? Ponieważ jest ona przejawem istnienia materii. W uproszczeniu, każda materia posiada masę, a z tej wynika jej zdolność do wywierania określonego oddziaływania grawitacyjnego na otoczenie.

Jeśli weźmiemy pod uwagę każdą galaktykę, gwiazdę, obłok pyłu w przestrzeni międzygwiezdnej, czyli całą znaną nam zwykłą materię we wszechświecie, okaże się, że wciąż zaobserwujemy o wiele więcej oddziaływań grawitacyjnych, niż wynikałoby to z ilości materii. W związku z tym musi istnieć coś innego, co odpowiada za nadmiarową grawitację.

Skoro jest efekt, musi istnieć jego przyczyna. To jedna z absolutnie fundamentalnych zasad w nauce i obserwacji świata, która pomaga dochodzić do wniosków, odkryć i jest jednym z najlepszych drogowskazów w kwestii tego, gdzie szukać ewentualnych odpowiedzi na nurtujące naukę pytania.

Sprawdza się to również w codziennym życiu. Każdy słyszał przecież powiedzenie „Nie ma dymu bez ognia”. No właśnie. Wyobraźcie sobie teraz, że obserwujemy potężny słup dymu, jaki zwykle emitują wulkany. Jednak kiedy przyjrzymy się jego źródłu, okazuje się, że mamy do czynienia z małym ogniskiem. Coś tu nie gra. Źródłem dymu musi być coś jeszcze, nawet jeśli tego nie widać. Dokładnie tak samo jest w tym przypadku. Nie wiemy, co jest odpowiedzialne za grawitację, którą obserwujemy, ale wiemy, że coś musi być jej źródłem. To „coś” nazywane jest „ciemną materią”.

Ten sposób wyciągania wniosków i poszukiwania odpowiedzi jest właśnie tym, co można określić naukowym myśleniem, którym kierują się uczeni, w pigułce: Nawet jeśli nie możemy uchwycić bezpośrednio naszego obiektu zainteresowania, obserwujmy bacznie jego otoczenie i skutki, jakie wywołuje jego obecność.

Skupmy się na tym, czego nie wiemy, a następnie logicznie szukajmy odpowiedzi. To nic złego - nie wiedzieć, tak długo jak zadaje się pytania i metodycznie poszukuje się na nie odpowiedzi.

Stanowi ona około 27 proc. masy całego wszechświata, nie emituje, a także nie odbija promieniowania elektromagnetycznego, nie emituje światła. Występuje w całym wszechświecie, również w naszej galaktyce, Drodze Mlecznej, w której jej dysk ma rozmiary około 300 lat świetlnych. Co ważne, nie jest ona obecna w naszym bezpośrednim sąsiedztwie wewnątrz galaktyki.

Wiemy to, dzięki teorii opisującej jaki wpływ ma ciemna materia na prędkość rotacji gwiazd w ramionach Drogi Mlecznej. Szacuje się, że w naszej części Galaktyki, powinno znajdować się jedynie pomiędzy 0,4 a 1 kg ciemnej materii, która zajmuje najprawdopodobniej przestrzeń porównywalną z rozmiarami Ziemi.

Twierdzenie, że ciemna materia istnieje, jest obecnie dominującym wytłumaczeniem anomalii w rotacji galaktyk, które obserwujemy oraz ruchu galaktyk w gromadach. Za jeden z dowodów jej istnienia przyjmuje się dane pochodzące z obserwacji galaktyk.

Chodzi o dostrzeżone m.in. przez Teleskop Hubble’a miejsce zderzenia dwóch gromad galaktyk. Znajdują się tam obszary soczewkujące grawitacyjnie (czyli w skrócie takie, w których tor lotu światła zostaje zakrzywiony przez grawitację), w których nie ma jednak żadnych gwiazd ani obłoków gazu. Innymi słowy, nie ma tam żadnej materii. Jest tam jednak obecne oddziaływanie grawitacyjne, stąd wniosek, że musi się tam znajdować ciemna materia.

Oprócz takich i innych danych obserwacyjnych, które pośrednio świadczą o istnieniu ciemnej materii, istnieją także takie, które przeczą jej istnieniu. Wbrew obecnym założeniom dotyczącym ciemnej materii w ramach tzw. standardowego modelu kosmologicznego, który opisuje nasz wszechświat, przemawiają m.in. obserwacje mikrofalowego promieniowania tła, dane odnoszące się do tzw. przesunięcia (widma) ku czerwieni przy obserwacji supernowych lub dane z obserwacji gromad galaktyk wykonanych m.in. przez satelity Chandra i ROSAT.

Biorąc pod uwagę trudności, jakie wciąż piętrzą się przed naukowcami starającymi się wykryć ciemną materię, można zapytać, czy to wszystko ma sens. Warto wspomnieć, że przez wiele lat pewna grupa fizyków stanowiąca mniejszość, forsowała pomysł, że być może po prostu nasze teorie dotyczące grawitacji są błędne. Czy ta fundamentalna siła działa w innych, dużych skalach inaczej niż się spodziewamy?

Istnieją teorie takie jak „zmodyfikowana dynamika Newtona" lub modele MOND, które zakładają, że ciemna materia nie istnieje, a ultraszybkie prędkości, z jakimi gwiazdy i galaktyki obracają się wokół siebie, są skutkiem grawitacji zachowującej się w nierozwikłany jeszcze sposób. Jak twierdzi np. fizyk Don Lincoln, ciemna materia to wciąż niepotwierdzony model. To prawda, jednak dane z obserwacji, najnowsze wnioski i większość środowiska naukowego twierdzi, że ciemna materia jednak istnieje.

Przejdźmy teraz do ciemnej energii. Różni się ona istotnie od ciemnej materii. Wiemy, że jej oddziaływanie musi mieć charakter odpychający. Dlaczego? Gdyby było inaczej, ciemna energia znajdująca się w obrębie galaktyk oraz ich gromad, wpływałaby w sposób dynamiczny na dającą się zaobserwować materię. Poza tym, gdyby ciemna energia była siłą odpychającą, rozwiązałoby to problem coraz szybszego tempa ucieczki galaktyk.

Czyli znów - mamy efekt, więc musi istnieć przyczyna. Wszystkie obecne pomiary potwierdzają, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Nie wiemy jednak dlaczego. Najlepszym tego wytłumaczeniem jest istnienie energii o sile odpychającej, nazwanej ciemną energią. Z racji tej właściwości można też o niej myśleć jako o „antygrawitacji”.

Szacuje się, że ciemna energia stanowi od około 68 proc. do 72 proc. całkowitej energii wszechświata, co oznacza, że zdecydowanie dominuje zarówno nad ciemną materią, jak i zwykłą materią. Niezwykle ciekawą właściwością ciemnej energii jest to, że działa ona jedynie w dużej skali. Doprowadza do rozszerzania się wszechświata i oddalania się od siebie galaktyk, ale w przypadku obiektów, które „spaja” grawitacja, do których należą gwiazdy, galaktyki i wszystko, co od nich mniejsze, wydaje się nie mieć zastosowania.

Trzeba pamiętać, że hipoteza istnienia ciemnej energii nie została jak dotąd powszechnie zaakceptowana w środowisku astrofizyków. Część z nich stoi na stanowisku, że niewyjaśnione dotąd wzrost tempa, w jakim rozszerza się wszechświat, wynika po prostu z niedokładności części ogólnej teorii względności, która dotyczy grawitacji.

Z tą opinią jest jednak jeden zasadniczy problem. Wszystkie dotychczasowe próby wprowadzenia korekt do ogólnej teorii względności nie zgadzają się z obserwacjami. Mógłbym opisywać różne osobliwości ciemnej energii jeszcze długo, ale ten artykuł musiałby być znacznie dłuższy, a nie o to tutaj chodzi. Zwłaszcza że jest jeszcze jedna ważna kwestia, którą chcę poruszyć.

Oba omawiane aspekty wszechświata wymykają się poznaniu, a o ich istnieniu możemy mówić tylko dzięki obserwacjom efektów ich działania lub obecności wobec zwykłej (złożonej z atomów zbudowanych z protonów i neutronów) materii. Jednak na tym tak naprawdę kończą się podobieństwa pomiędzy obydwoma „ciemnymi” przejawami kosmicznej rzeczywistości.

Pomimo podobnej nazwy, błędem jest myślenie o ciemnej energii jako o czymś, co ma się do innych, poznanych rodzajów energii tak, jak ciemna materia ma się do zwykłej materii. Innymi słowy, nie jest tak, że z jednej strony mamy zwykłą materię i zwykłą energię (czyli te, które możemy zaobserwować i opisać), a z drugiej ich odpowiedniki, czyli ciemną materię i ciemną energię. Co więcej, ciemna materia i ciemna energia mają zupełnie inny wpływ na wszechświat.

By to opisać, na koniec, jeszcze jeden, być może najdonioślejszy przejaw istnienia ciemnej materii. To ona bowiem, poprzez swój grawitacyjny efekt utrzymuje galaktyki razem. Bez jej grawitacyjnego oddziaływania, galaktyki po prostu rozpadłyby się trochę tak jak zupa, która zostałaby wychlapana z wirującego talerza.

Stałoby się tak na skutek prędkości, z jaką wirują. Grawitacyjny wpływ jedynie zwykłej, widzialnej materii, byłby po prostu niewystarczający, do tego, by utrzymać je w „jednym kawałku”. Ciemna energia natomiast rozpycha wszechświat i odpycha galaktyki od siebie. Można więc w dużym uproszczeniu powiedzieć, że ciemna energia i ciemna materia są tak naprawdę przeciwstawne wobec siebie.

Można to sobie wyobrazić również tak, jak opisano to pewnego razu na stronie space.com: Ciemna energia i grawitacja przeciągają linę z ciemną materią. Ową liną jest wszechświat. A w tym wszystkim, na mikroskopijnym, kosmicznym pyłku w jednej z galaktyk, który krąży wokół jednej z jej gwiazd, żywe i myślące istoty, jakimi są naukowcy, próbują to wszystko rozwikłać.