Czarna materia nie jest cząsteczką?

Od kiedy w 1970 roku, naukowcy (a dokładnie amerykańska astronom Vera Rubin) po raz pierwszy zaproponowali istnienie dodatkowej, niewidzialnej dla nas nigdy wcześniej materii w kosmosie, wielu fizyków odrzuciło ten pomysł.

Rubin doszła do swoich wniosków przez obserwacje ruchu i wypłaszczenia krzywej rotacji galaktyki Andromedy. Zauważyła, że nie spłaszcza się ona proporcjonalnie względem odległości od centrum – jakby poza materią był w niej coś jeszcze – ciemna materia.

Dalsze obserwacje kolejnych pokoleń naukowców potwierdziły, że brakuje nam materii i to nie „trochę” lecz jakieś 80% materii całego kosmosu. I tyle w temacie wiemy do dzisiaj.

Wahania w mikrofalowym promieniowaniu tła, soczewkowanie grawitacyjne, powstanie wielkoskalowych struktur we wszechświecie – żadne z tych zjawisk nie zgadza się z założeniami ogólnej teorii względności, jeśli nie uwzględnimy dodatkowej materii, zakrzywiającej czasoprzestrzeń.

Jeśli zaś przeanalizujemy właściwości wszystkich cząsteczek z modelu standardowego to żadna nie będzie pasować do roli „ciemnej materii” – są one zbyt lekkie, zbyt ciężkie, zbyt niestabilne lub zbyt silnie oddziałujące by mogły stanowić rozwiązanie kosmicznej zagadki.

Od momentu, gdy opracowano standardowy model, każdy problem zaczął wyglądać jak kwestia cząstki.

Od połowy lat ’80 tych zaczęto realizować dziesiątki eksperymentów w poszukiwaniu cząstek ciemnej materii. Jak dotąd, nie znaleziono nic. Żadne WIMP-y, aksjony, czy neutrina, nie są dobrymi kandydatami do miana brakującej materii. Może to oznaczać, że cząstki ciemnej materii są jeszcze słabsze niż sądzono. Lub że rodzaje cząstek, jakie poznaliśmy tej pory, są zbyt proste. Może to też oznaczać, że ciemna materia nie składa się z cząstek.

Choć pomysł jest dość stary nigdy nie stał się popularny wśród fizyków. Tymczasem zamiast wyszukiwania nowych źródeł grawitacji, teoria oferuje pozostanie przy znanych źródłach, ale zmieniając sposób w jaki interpretujemy ich działanie. A im więcej czasu LHC nie jest w stanie wykryć nowej cząstki, tym bardziej atrakcyjna zaczyna stawać się ta alternatywa.

Może grawitacja jednak nie działa tak Einstein nas nauczył…

Koncepcja zmodyfikowanej grawitacji miała swój niefortunny początek, w formie teorii zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej MOND – która z teoretycznego punktu widzenia jest bardzo nieatrakcyjna. Stoi bowiem w sprzeczności z ogólną teorią względności, co sprawia, że podważa ona podstawy większości ówczesnych teorii. Istnieją jednak modele zmodyfikowanej dynamiki, które są kompatybilne z teorią względności.

Korzyścią teorii modyfikacji grawitacji jest to, że oferuje wyjaśnienie dla obserwacji, w których „cząstki” ciemnej materii nie mogą pomóc.

Najbardziej znanym przykładem takiej sytuacji jest związek Tully-Fishera – korelacja pomiędzy jasnością galaktyki a prędkością jej peryferyjnych gwiazd. Nikomu nie udało się wyjaśnić tego zjawiska przy „użyciu” cząstek ciemnej materii, ale dzięki zmodyfikowanej grawitacji owszem.

Modyfikowanie grawitacji ma jednak swoje wady. Choć wydaje się dość dobrze działać na poziomie galaktyk trudno, aby działało też dla wielkich obiektów takich jak np. gromady galaktyk. Obserwacje klastrów galaktyk np. klastra Bullet, wskazują na to, że masa może być widoczna w innym miejscu niż znajduje się materia ciążąca.

To zjawisko jest względnie proste do wyjaśnienia z wykorzystaniem cząstek ciemnej materii, ale trudno zrozumieć je przez zmodyfikowaną grawitację.

Wyjaśnienie, które wydaje się obecnie najbardziej atrakcyjne jest takie, że ciemna materia stanowi rodzaj cząstek, których równowaga dynamiczna czasem naśladuje zmodyfikowaną grawitację.

Opcja ta, prowadzona m.in. przez Stefano Liberati i Justin Khoury, łączy w sobie zalety obu podejść bez wad poszczególnych. Istnieje jednak wiele danych w kosmologii i zajmie dużo czasu, aby dowiedzieć się, czy ten pomysł będzie pasował do obserwowanych zjawisk, tak samo lub lepiej niż pomysł na cząsteczki.

CZYTAJ TAKŻE:
– Tajemnicza „super-pustka” we wszechświecie
– Nowa cząsteczka przypadkiem odkryta przez Wielki Zderzacz Hadronów