Materia întunecată este o substanță misterioasă neluminoasă care constituie marea majoritate a materiei din univers. Deși experții au observat efectele gravitaționale ale materiei întunecate de zeci de ani, oamenii de știință rămân nedumeriți cu privire la adevărata sa natură.
Cine a descoperit materia întunecată?
La sfârșitul secolului al XIX-lea, astronomii au început să speculeze cu privire la materia nevăzută – fie stele slabe, fie gaz și praf, împrăștiate în univers. Cercetătorii începuseră chiar să îi estimeze masa, potrivit unei analize publicate în 2018 în revista Reviews of Modern Physics. Cei mai mulți credeau că această substanță misterioasă era o componentă minoră a masei totale din cosmos.
Atunci, abia în 1933, astronomul elvețiano-american Fritz Zwicky a observat că galaxiile îndepărtate se roteau una în jurul celeilalte mult mai repede decât ar trebui să fie posibil având în vedere materia lor vizibilă observată în telescoape. „Dacă acest lucru ar fi confirmat, am obține rezultatul surprinzător că materia întunecată este prezentă în cantitate mult mai mare decât materia luminoasă”, scria el într-un articol publicat în revista Helvetica Physica Acta în acel an.
Dar mulți din domeniu au rămas sceptici cu privire la rezultatele lui Zwicky până în anii 1970, când astronomii Kent Ford și Vera Rubin au realizat studii detaliate ale stelelor din regiunile exterioare ale galaxiei vecine Andromeda. Aceste stele orbitau în jurul nucleului galactic mult prea repede, aproape ca și cum un material invizibil le trăgea gravitațional și le împingea – o observație pe care oamenii de știință au observat-o în curând în galaxiile din întregul univers.
Cercetătorii nu aveau nicio idee în ce consta această masă invizibilă, unii astronomi speculând că materia întunecată era formată din mici găuri negre sau alte obiecte compacte care emiteau prea puțină lumină pentru a se vedea în telescoape. Rezultatele au devenit și mai ciudate în anii 1990, când un telescop spațial numit Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a arătat că această materie întunecată depășea materia vizibilă obișnuită în proporție de cinci la unu, potrivit NASA.
De ce materia întunecată rămâne un mister
Scoperile telescopice nu au fost niciodată capabile să găsească suficiente obiecte mici și compacte pentru a explica această enormă profuzie de materie. Cei mai mulți astronomi din zilele noastre cred că materia întunecată este probabil formată din particule subatomice cu proprietăți destul de diferite de cele mai familiare ale protonilor și neutronilor.
Candidatul care domnește pentru materia întunecată se numește o particulă masivă cu interacțiune slabă sau WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Aceste entități speculative nu se regăsesc în modelul standard al fizicii particulelor, care descrie aproape toate particulele și forțele. WIMP-urile ar fi mai asemănătoare cu neutrinul fantomatic, cu excepția faptului că ar cântări de 10 până la 100 de ori mai mult decât un proton. (Masele exacte ale neutrinilor sunt necunoscute, dar aceștia sunt mult mai ușori decât electronii).
Ca și neutrinii, WIMP-urile ar interacționa doar cu două dintre cele patru forțe fundamentale din univers: Gravitația și forța slabă nucleară, care mediază dezintegrarea nucleelor atomice radioactive. Aceste particule de materie întunecată ar fi neutre din punct de vedere electric, ceea ce înseamnă că nu ar interacționa cu electromagnetismul, care stă la baza luminii, și, prin urmare, ar rămâne invizibile.
Fizicienii au construit detectoare uriașe și le-au plasat la mare adâncime în subteran pentru a le proteja de razele cosmice care interferează, în încercarea de a detecta WIMP-urile, dar până în prezent niciun experiment nu a descoperit dovezi pentru ele. În ultimii ani, acest eșec i-a determinat pe unii dintre cei din domeniu să înceapă să se întrebe dacă nu cumva au pornit într-o goană sălbatică după particule fără un final real.
Câțiva oameni de știință își îndreaptă, prin urmare, atenția către un candidat mai nou pentru materia întunecată, numit axion, care ar avea o milionime sau chiar o miliardime din masa unui electron, se arată în Proceedings of the National Academy of Science. Aceste particule ipotetice sunt deosebit de atractive pentru cercetători deoarece ar putea, de asemenea, să rezolve o altă problemă nerezolvată în fizică, interacționând potențial cu neutronii pentru a explica de ce aceștia pot simți câmpurile magnetice, dar nu și pe cele electrice.
În iunie 2020, membrii experimentului XENON1T cu sediul la Laboratorul Național Gran Sasso din Italia, un detector construit inițial pentru a încerca să capteze WIMP-uri, au anunțat că au găsit un semnal mic, dar neașteptat, care ar putea fi explicat prin prezența axionilor. Rezultatele au șocat comunitatea științifică, dar nu au fost încă confirmate de alte experimente.
Este materia întunecată chiar reală?
Aceasta înseamnă că cercetătorii încă se scarpină în cap cu privire la ceea ce este materia întunecată. Unii teoreticieni s-au întrebat dacă nu cumva există un întreg sector întunecat al universului, cu multiple particule și chiar forțe întunecate care afectează doar materia întunecată, asemănătoare complexității subatomice observate în cosmosul vizibil.
În același timp, o minoritate de oameni de știință cred că materia întunecată este un miraj. Aceștia subscriu la o idee cunoscută sub numele de versiunea modificată a inerției, sau MOND, care presupune că, la scări mari, gravitația acționează diferit de ceea ce se așteaptă și acest lucru explică rotațiile observate ale stelelor și galaxiilor. Însă majoritatea experților nu sunt convinși de necesitatea de a se îndepărta atât de radical de fizica cunoscută, ceea ce ar necesita, de asemenea, modificări ale înțelegerii noastre asupra unor părți mari ale realității.
Materia întunecată nu este, după știința nimănui, legată de energia întunecată, un alt fenomen misterios responsabil de accelerarea expansiunii cosmosului. Cele două împărtășesc pur și simplu cuvântul „întunecat”, care este adesea folosit ca un substitut de către oamenii de știință pentru lucruri pe care nu le înțeleg pe deplin.