Ciemna materia to tajemnicza nieświecąca substancja stanowiąca zdecydowaną większość materii we wszechświecie. Choć eksperci od dziesięcioleci obserwują grawitacyjne efekty ciemnej materii, naukowcy nadal nie wiedzą, jaka jest jej prawdziwa natura.

Kto odkrył ciemną materię?

Pod koniec XIX wieku astronomowie zaczęli spekulować na temat niewidocznej materii – niewyraźnych gwiazd lub gazu i pyłu, rozproszonych we wszechświecie. Naukowcy zaczęli nawet szacować jego masę, zgodnie z przeglądem z 2018 roku w czasopiśmie Reviews of Modern Physics. Większość uważała, że ta tajemnicza substancja była niewielkim składnikiem całkowitej masy w kosmosie.

Dopiero w 1933 roku szwajcarsko-amerykański astronom Fritz Zwicky zauważył, że odległe galaktyki wirowały wokół siebie znacznie szybciej, niż powinno to być możliwe, biorąc pod uwagę ich widoczną materię widzianą w teleskopach. „Gdyby to się potwierdziło, otrzymalibyśmy zaskakujący wynik, że ciemna materia jest obecna w znacznie większej ilości niż materia świecąca” – napisał w pracy opublikowanej w tym samym roku w czasopiśmie Helvetica Physica Acta.

Ale wielu w tej dziedzinie pozostało sceptycznych wobec wyników Zwicky’ego aż do lat 70-tych, kiedy astronomowie Kent Ford i Vera Rubin przeprowadzili szczegółowe badania gwiazd w zewnętrznych regionach sąsiedniej galaktyki Andromedy. Gwiazdy te krążyły wokół galaktycznego jądra o wiele za szybko, prawie tak, jakby jakaś niewidzialna materia grawitacyjnie ciągnęła je i popychała – obserwacja ta została wkrótce zauważona przez naukowców w galaktykach w całym wszechświecie.

Badacze nie mieli pojęcia z czego składała się ta niewidoczna masa, a niektórzy astronomowie spekulowali, że ciemna materia składała się z małych czarnych dziur lub innych zwartych obiektów, które emitowały zbyt mało światła, aby pokazać się w teleskopach. Wyniki stały się jeszcze dziwniejsze w latach 90-tych, kiedy teleskop kosmiczny o nazwie Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) pokazał, że ciemna materia przewyższała zwykłą materię widzialną w stosunku pięć do jednego, według NASA.

Dlaczego ciemna materia pozostaje tajemnicą

Przeglądy teleskopowe nigdy nie były w stanie znaleźć wystarczającej ilości małych zwartych obiektów, aby wyjaśnić tę ogromną obfitość materii. Większość współczesnych astronomów uważa, że ciemna materia prawdopodobnie składa się z subatomowych cząstek o właściwościach, które różnią się od bardziej znanych protonów i neutronów.

Panujący kandydat na ciemną materię jest nazywany Słabo Oddziałującą Masywną Cząstką lub WIMP. Te spekulatywne byty nie występują w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, który opisuje prawie wszystkie cząstki i siły. WIMPy byłyby bardziej podobne do widmowego neutrina, z tą różnicą, że ważyłyby od 10 do 100 razy więcej niż proton. (Dokładna masa neutrin nie jest znana, ale są one znacznie lżejsze od elektronów).

Podobnie jak neutrina, WIMPy oddziaływałyby tylko z dwoma z czterech podstawowych sił we wszechświecie: Grawitacją i słabą siłą jądrową, która pośredniczy w rozpadzie radioaktywnych jąder atomowych. Te cząstki ciemnej materii byłyby elektrycznie neutralne, co oznacza, że nie oddziaływałyby z elektromagnetyzmem, podstawą światła, i dlatego pozostałyby niewidoczne.

Fizycy zbudowali ogromne detektory i umieścili je głęboko pod ziemią, aby chronić je przed zakłócającymi promieniami kosmicznymi w wysiłkach zmierzających do wykrycia WIMP-ów, ale jak dotąd żaden eksperyment nie ujawnił dowodów na ich istnienie. W ostatnich latach, ta porażka doprowadziła niektórych w tej dziedzinie do zastanowienia się, czy nie wyruszyli w dziką pogoń za cząstkami bez prawdziwego końca.

Niektórzy naukowcy zwracają zatem swoją uwagę na nowszego kandydata na ciemną materię zwanego aksjonem, który miałby milionową lub nawet miliardową część masy elektronu, donosi Proceedings of the National Academy of Science. Te hipotetyczne cząstki są szczególnie atrakcyjne dla naukowców, ponieważ mogłyby również rozwiązać inny problem w fizyce, potencjalnie oddziałując z neutronami, aby wyjaśnić, dlaczego mogą one odczuwać pola magnetyczne, ale nie elektryczne.

W czerwcu 2020 roku członkowie eksperymentu XENON1T w Gran Sasso National Laboratory we Włoszech, detektora pierwotnie zbudowanego do prób wychwytywania WIMP-ów, ogłosili, że znaleźli mały, ale nieoczekiwany sygnał, który można wyjaśnić obecnością aksjonów. Wyniki zszokowały społeczność naukową, ale nie zostały jeszcze potwierdzone przez inne eksperymenty.

Czy ciemna materia jest w ogóle prawdziwa?

To oznacza, że naukowcy wciąż głowią się nad tym, czym jest ciemna materia. Niektórzy teoretycy zastanawiają się, czy istnieje cały ciemny sektor wszechświata, z wieloma cząstkami, a nawet ciemnymi siłami, które wpływają tylko na ciemną materię, podobnie jak subatomowa złożoność widoczna w widzialnym kosmosie.

W tym samym czasie mniejszość naukowców wierzy, że ciemna materia jest mirażem. Podpisują się oni pod ideą znaną jako zmodyfikowana wersja inercji, lub MOND, która zakłada, że w dużych skalach grawitacja działa inaczej niż oczekiwano i to odpowiada za obserwowane rotacje gwiazd i galaktyk. Jednak większość ekspertów nie jest przekonana co do potrzeby tak radykalnego odejścia od znanej fizyki, co wymagałoby również modyfikacji naszego rozumienia dużej części rzeczywistości.

Ciemna materia nie jest, według niczyjej wiedzy, powiązana z ciemną energią, innym tajemniczym zjawiskiem odpowiedzialnym za przyspieszanie ekspansji kosmosu. Te dwa zjawiska po prostu dzielą słowo „ciemna”, które jest często używane przez naukowców jako placeholder dla rzeczy, których do końca nie rozumieją.