Czy zastanawialiście się, co tak naprawdę wypełnia nasz Wszechświat? Mimo że w szkołach uczymy się, że świat zbudowany jest z atomów, to w rzeczywistości „zwykła” materia stanowi zaledwie 5 procent całkowitej zawartości kosmosu. To absurdalnie mało, zważywszy na to, jak skonstruowany jest otaczający nas materialny świat. Reszta to dwie tajemnicze (i na razie jeszcze teoretyczne) składowe: ciemna materia i ciemna energia. Choć niewidzialne per se i ekstremalnie trudne do wykrycia znanymi nam przyrządami, mają fundamentalne znaczenie dla struktury i ewolucji Wszechświata.
Ciemna materia – niewidzialny klej Wszechświata
Ciemna materia to coś, czego nie możemy zobaczyć, dotknąć ani wykryć bezpośrednio (dlatego wcześniej piszemy, że jest to materia teoretyczna). Skąd więc wiemy, że istnieje? Ponieważ jej obecność została wykryta pośrednio – dzięki jej grawitacyjnemu wpływowi na otaczającą materię, czyli temu, jak oddziałuje na znaną nam, widzialną materię.
Pierwsze wskazówki o jej istnieniu pojawiły się w latach 30. XX wieku, gdy astronom Fritz Zwicky badał ruch galaktyk w gromadach. Zauważył, że galaktyki poruszają się znacznie szybciej, niż wynikałoby to z masy widocznych gwiazd. Aby wyjaśnić ten fenomen, zaproponował istnienie „niewidzialnej masy” – ciemnej materii.
Dalsze dowody pojawiły się dzięki obserwacjom rotacji galaktyk. Astronomka Vera Rubin wykazała, że prędkość obrotu gwiazd wokół centrum galaktyki jest praktycznie stała, niezależnie od odległości od jej środka. Gdyby w galaktykach była tylko widzialna materia, prędkość ta malałaby wraz z odległością. To wskazywało na istnienie dodatkowej masy niewidocznej w żadnym spektrum światła, która pomaga utrzymać prędkość rotujących wokół centrum galaktyki ciał niebieskich.
Ciemną materię bada się dziś przy pomocy zaawansowanych teleskopów, takich jak teleskop Webba (a niedługo także teleskop Roman) przy pomocy soczewkowania grawitacyjnego, o którym pisaliśmy w poprzednim wpisie. Używa się także detektorów teoretycznych, egzotycznych cząstek, takich jak WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki) czy aksjony. Eksperymentalne detektory znajdują się na przykład w podziemnym laboratorium Gran Sasso we Włoszech, które nazywa się XENONnT.
Ciemna materia, która stanowi ok. 27 procent kosmosu, jest kluczowa dla zrozumienia formowania się galaktyk i wielkoskalowej struktury Wszechświata – działa jak „kosmiczny klej”, który utrzymuje te struktury razem.
Ciemna energia – ukryty przeciwnik grawitacji
Zupełnie inaczej ma się sprawa z jeszcze bardziej tajemniczą „substancją”, która wypełnia Wszechświat aż w 68 procentach! Jej istnienie odkryto stosunkowo niedawno, w 1998 roku, i to zupełnie przypadkiem, kiedy astronomowie Saul Perlmutter, Adam Riess i Brian Schmidt badali odległe supernowe. Ku ich zdziwieniu okazało się, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, lecz także robi to coraz szybciej, co przeczyłoby dotychczasowym modelom, które nie uwzględniałyby ciemnej energii.
Ciemna energia ma ujemne ciśnienie, co odróżnia ją od zwykłej materii i energii. Powoduje ono „rozpychanie” przestrzeni kosmicznej. Efekt działania ciemnej energii wzmacnia się wraz z ekspansją Wszechświata, ponieważ jej gęstość pozostaje (według obecnych modeli) stała w miarę wzrostu objętości Wszechświata, w przeciwieństwie do materii, której gęstość maleje. Dlatego właśnie niektórzy postulują, że Wszechświat może zakończyć się wielkim rozerwaniem.
Niewiele więcej wiadomo o ciemnej energii. Możliwe jest, że jej „rozpychająca” natura wynika z samej natury próżni kwantowej, jednak obecnie można tylko dywagować nad tym, czym jest i jak dokładnie działa. Możliwe też, że fizyczne modele, w których się obecnie poruszamy są albo niedostatecznie dokładne, albo z gruntu błędne.
Odpowiedzi, jak zawsze, jeszcze przed nami!
