Niewidzialny szkielet kosmosu. Stworzyli obłędną mapę ciemnej materii
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba stworzył najdokładniejszą jak dotąd mapę ciemnej materii. Zobaczyliśmy niewidzialne rusztowanie Wszechświata w oszałamiających szczegółach.
To jedno z największych wyzwań współczesnej fizyki i zagadka, która spędza sen z powiek badaczom nieba od dekad. Choć stanowi około 85 proc. masy całego wszechświata, pozostaje nieuchwytna dla tradycyjnych instrumentów. Ciemna materia, bo o niej mowa, nie emituje światła, nie odbija go ani go nie pochłania. Wiemy jednak, że istnieje, ponieważ bez jej grawitacyjnego spoiwa galaktyki, w tym nasza Droga Mleczna, po prostu rozleciałyby się w pustce.
Najnowsze wyniki analizy danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma Nature Astronomy, przynoszą przełom: najdokładniejszą w historii mapę tej tajemniczej substancji, która może wkrótce zrewolucjonizować naszą wiedzę o początkach wszystkiego.
Miliardy cząsteczek ciemnej materii przechodzą przez twoje ciało co sekundę. Nie dzieje się im nic złego, nie zauważają nas i po prostu idą dalej. Ale wirująca chmura ciemnej materii wokół Drogi Mlecznej ma wystarczającą grawitację, by utrzymać naszą galaktykę w całości. Bez ciemnej materii Droga Mleczna rozleciałaby się, co nasza mapa pokazuje z niespotykaną dotąd przejrzystością - mówi współautor badania profesor Richard Massey z Instytutu Kosmologii Obliczeniowej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Durham.
Fundamenty, których nie widać
Naukowcy od dawna podejrzewali, że ciemna materia pełni rolę grawitacyjnego rusztowania, na którym osadza się zwyczajna materia, ta, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my sami.
Nowa mapa, stworzona przez międzynarodowy zespół badaczy, potwierdza tę śmiałą teorię z niespotykaną dotąd precyzją. Wykorzystując dane z pierwszego roku operacyjnego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, astronomowie przyjrzeli się tak zwanemu polu COSMOS. To niewielki wycinek nieba, zaledwie dwa i pół razy większy od tarczy Księżyca w pełni, znajdujący się w gwiazdozbiorze Sekstansu, który skrywa w sobie setki tysięcy galaktyk.
Dzięki niezwykłej czułości instrumentów działających w podczerwieni, teleskop był w stanie zajrzeć głębiej w przeszłość wszechświata niż jakikolwiek instrument przed nim, rejestrując światło obiektów powstałych miliardy lat temu. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba badał ten obszar łącznie przez około 255 godz. i zidentyfikował niemal 800 000 galaktyk, wiele z nich odkryto po raz pierwszy.
Mapa zawiera około 10 razy więcej galaktyk niż mapy wykonane przez obserwatoria naziemne i dwa razy więcej niż mapy stworzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.
Richard Massey, fizyk z Durham University i współautor badań, porównuje proces powstawania struktur kosmicznych do budowy domu, w którym ciemna materia jest niewidoczną ramą konstrukcyjną. To właśnie w jej zagłębienia wpada zwykła materia, tworząc gromady gwiazd.
Mapa pokazuje ten proces niemal w czasie rzeczywistym, ujawniając gigantyczne, niewidzialne nici tworzące kosmiczną sieć. Galaktyki są na nich zawieszone niczym paciorki na sznurku, a ich rozmieszczenie ściśle odpowiada koncentracji ciemnej materii. Bez tego grawitacyjnego kleju wszechświat byłby jedynie rozproszoną, chłodną mgłą gazu, w której nigdy nie zapłonęłoby słońce.
Wszechświat w soczewce
Skoro ciemnej materii nie da się zobaczyć, jak udało się ją narysować? Badacze posłużyli się techniką zwaną słabym soczewkowaniem grawitacyjnym. Wykorzystuje ona fakt, że masa zakrzywia czasoprzestrzeń.
Kiedy światło z odległej galaktyki podróżuje w stronę Ziemi, mija po drodze skupiska ciemnej materii, które działają jak soczewka, zniekształcają obraz obiektu znajdującego się w tle. Analizując subtelne deformacje kształtu około 250 tys. galaktyk, naukowcy byli w stanie matematycznie obliczyć, ile niewidzialnej masy znajduje się pomiędzy nami a nimi.
Praca ta była gigantycznym wyzwaniem analitycznym. Choć Teleskop Hubble’a badał ten sam obszar dwie dekady temu, dane z Webba oferują znacznie wyższą rozdzielczość i pozwalają dostrzec detale, które wcześniej były jedynie rozmytymi plamami.
Diana Scognamiglio z należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, która kierowała badaniami, przyznaje, że zgodność struktur zaobserwowanych przez Webba z wcześniejszymi modelami jest oszałamiająca, ale to właśnie precyzja nowego instrumentu pozwala na odkrycie zupełnie nowych cech podszewki wszechświata.
Dzięki temu astronomowie mogą teraz weryfikować, czy nasze teorie dotyczące grawitacji i ewolucji struktur kosmicznych są poprawne w najdrobniejszych detalach.
Gdziekolwiek widzimy duże skupisko tysięcy galaktyk, widzimy również równie ogromną ilość ciemnej materii w tym samym miejscu. A kiedy widzimy cienki sznur zwykłej materii łączący dwie takie gromady, widzimy również sznur ciemnej materii. Nie chodzi tylko o to, że mają ten sam kształt. Ta mapa pokazuje nam, że ciemna materia i zwykła materia zawsze znajdowały się w tym samym miejscu. Powstały razem - powiedział Richard Massey, astrofizyk z Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii i współautor nowego badania.
Więcej na Spider's Web:
Cichy architekt życia
Na samym początku istnienia wszechświata, tuż po Wielkim Wybuchu, zarówno zwyczajna materia, jak i jej mroczny odpowiednik, były prawdopodobnie rozproszone niemal idealnie. Naukowcy uważają, że to właśnie ciemna materia jako pierwsza zaczęła się zbrylać, tworząc grawitacyjne pułapki, które z czasem przyciągnęły rzadki gaz wodorowy i hel.
Bez tego niewidzialnego katalizatora, zwykła materia mogłaby długo nie osiągnąć gęstości niezbędnej do narodzin pierwszych gwiazd w tak wczesnej fazie rozwoju kosmosu. Ciemna materia zadziałała więc jak potężny akcelerator, nie tylko wyznaczyła wielkoskalową strukturę wszystkiego, co widzimy, ale sprawiła, że procesy gwiazdotwórcze ruszyły znacznie wcześniej, niż wynikałoby to z dynamiki samej materii barionowej.
To przyspieszenie miało fundamentalne znaczenie dla powstania życia i planet takich jak Ziemia. Pierwsze pokolenia gwiazd, uformowane w gęstych skupiskach ciemnej materii, działały jak gigantyczne piece alchemiczne, przekształcając pierwotny wodór i hel w bogatą paletę cięższych pierwiastków: tlen, węgiel czy żelazo. Gdyby nie wpływ ciemnej materii, wszechświat mógłby po prostu nie mieć dość czasu, by wyprodukować odpowiednią ilość budulca niezbędnego do powstania złożonych światów przed ich naturalnym rozproszeniem.
Ta mapa dostarcza mocniejszych dowodów na to, że bez ciemnej materii moglibyśmy nie mieć w naszej galaktyce pierwiastków, które umożliwiły powstanie życia. Ciemna materia nie jest czymś, co spotykamy na co dzień na Ziemi, ani nawet w naszym Układzie Słonecznym, ale z pewnością miała na nas wpływ – powiedział Jasona Rhodesa z astrofizyk z JPL, współautora artykułu.
Złota era badania mroku
Mapa pola COSMOS to jednak dopiero początek ambitnej drogi. Fizycy mają nadzieję, że dzięki takim zestawieniom uda się w końcu odpowiedzieć na fundamentalne pytanie: czym właściwie jest ciemna materia?
Obecnie nauka stoi przed dylematem, czy składa się ona z masywnych, wolno poruszających się cząstek (tzw. zimna ciemna materia), czy może z lżejszych i szybszych drobin (ciepła ciemna materia). Różnica ta, choć wydaje się czysto techniczna, determinuje to, jak wszechświat będzie wyglądał za miliardy lat.
Wkraczamy w złotą erę kosmologii obserwacyjnej. Oprócz Teleskopu Jamesa Webba, do walki o zrozumienie ciemnej strony wszechświata dołączają kolejne potężne narzędzia. Europejski teleskop Euclid, wystrzelony w 2023 r., oraz (już wkrótce) teleskop Nancy Grace Roman Space Telescope, będą skanować znacznie szersze połacie nieba, uzupełniając szczegółowe zbliżenia Webba.
Dodatkowo, uruchomione w czerwcu 2025 r. Obserwatorium Vera C. Rubin w Chile dostarcza już pierwszych danych, które pozwolą stworzyć trójwymiarowy model rozkładu materii. Połączenie tych wszystkich sił sprawia, że jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek rozwiązania zagadki, która definiuje nasze miejsce w kosmosie.
Badaniami kierował wspólnie Uniwersytet w Durham, Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA (JPL) i École Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL) w Szwajcarii.
