Kwestia pochodzenia Wszechświata, jego przeszłości i przyszłości niepokoi ludzi od niepamiętnych czasów. Przez wiele stuleci powstawały i obalane teorie, oferujące obraz świata oparty na znanych danych. Fundamentalnym szokiem dla świata naukowego była teoria względności Einsteina. Wniosła też ogromny wkład w zrozumienie procesów, które tworzą Wszechświat. Jednak teoria względności nie może twierdzić, że jest ostateczną prawdą, która nie wymaga żadnych uzupełnień. Ulepszanie technologii umożliwiło astronomom dokonanie wcześniej niewyobrażalnych odkryć, które wymagały nowej podstawy teoretycznej lub znacznego rozszerzenia istniejących przepisów. Jednym z takich zjawisk jest ciemna materia. Ale najpierw najważniejsze.
Przypadki minionych dni
Aby zrozumieć termin „ciemna materia”, cofnijmy się do początku ubiegłego wieku. W tym czasie dominowała idea Wszechświata jako struktury stacjonarnej. Tymczasem ogólna teoria względności (GR) zakładała, że prędzej czy później siła przyciągania doprowadzi do „sklejenia się” wszystkich obiektów kosmicznych w jedną kulę, stanie się to takzwany zapaścią grawitacyjną. Między obiektami kosmicznymi nie występują żadne siły odpychające. Wzajemne przyciąganie jest kompensowane przez siły odśrodkowe, które tworzą ciągły ruch gwiazd, planet i innych ciał. W ten sposób zachowana jest równowaga systemu.
Aby zapobiec teoretycznemu zawaleniu się Wszechświata, Einstein wprowadził stałą kosmologiczną - wartość, która doprowadza system do niezbędnego stanu stacjonarnego, ale jednocześnie jest faktycznie wymyślona, nie mająca oczywistych podstaw.
Rozszerzanie wszechświata
Wyliczenia i odkrycia Friedmana i Hubble'a wykazały, że nie ma potrzeby naruszania harmonijnych równań ogólnej teorii względności za pomocą nowej stałej. Udowodniono i dziś fakt ten praktycznie nie budzi wątpliwości, że Wszechświat się rozszerza, miał kiedyś początek, ao stacjonarności nie może być mowy. Dalszy rozwój kosmologii doprowadził do powstania teorii Wielkiego Wybuchu. Głównym potwierdzeniem nowych założeń jest obserwowany z czasem wzrost odległości między galaktykami. To właśnie pomiar szybkości odsuwania się od siebie sąsiednich systemów kosmicznych doprowadził do postawienia hipotezy, że istnieje ciemna materia i ciemna energia.
Dane niezgodne z teorią
Fritz Zwicky w 1931, a następnie Jan Oort w 1932 iw latach 60. policzyli masę materii galaktyk w odległej gromadzie i jej stosunek do szybkości ich oddalania się od siebie. Od czasu do czasu naukowcy dochodzili do tych samych wniosków: taka ilość materii nie wystarcza, aby wytworzona przez nią grawitacja była w stanie utrzymaćrazem galaktyki poruszające się z tak dużą prędkością. Zwicky i Oort zasugerowali, że istnieje ukryta masa, ciemna materia Wszechświata, która nie pozwala obiektom kosmicznym rozpraszać się w różnych kierunkach.
Jednak hipoteza została doceniona przez świat naukowy dopiero w latach siedemdziesiątych, po ogłoszeniu wyników pracy Very Rubin.
Zbudowała krzywe rotacji, które wyraźnie pokazują zależność prędkości ruchu materii galaktyki od odległości dzielącej ją od centrum układu. Wbrew teoretycznym założeniom okazało się, że prędkości gwiazd nie maleją w miarę oddalania się od centrum galaktyki, ale rosną. Takie zachowanie opraw można wytłumaczyć jedynie obecnością w galaktyce halo wypełnionej ciemną materią. Astronomia stanęła zatem w obliczu zupełnie niezbadanej części wszechświata.
Właściwości i skład
Ciemny ten rodzaj materii nazywa się, ponieważ nie można go zobaczyć w żaden istniejący sposób. Jego obecność można rozpoznać po pośrednim znaku: ciemna materia wytwarza pole grawitacyjne, nie emitując jednocześnie całkowicie fal elektromagnetycznych.
Najważniejszym zadaniem, jakie pojawiło się przed naukowcami, było uzyskanie odpowiedzi na pytanie, z czego składa się ta sprawa. Astrofizycy próbowali "wypełnić" go zwykłą materią barionową (materia barionowa składa się z mniej lub bardziej zbadanych protonów, neutronów i elektronów). Ciemne halo galaktyk zawierało zwarte, słabo promieniujące gwiazdy tego typubrązowe karły i ogromne planety masowo bliskie Jowiszowi. Jednak te założenia nie wytrzymały szczegółowej analizy. Materia barionowa, znana i znana, nie może zatem odgrywać znaczącej roli w ukrytej masie galaktyk.
Dziś fizyka poszukuje nieznanych komponentów. Praktyczne badania naukowców opierają się na teorii supersymetrii mikrokosmosu, zgodnie z którą dla każdej znanej cząstki istnieje para supersymetryczna. To one tworzą ciemną materię. Jednak nie uzyskano jeszcze dowodów na istnienie takich cząstek, być może jest to kwestia najbliższej przyszłości.
Ciemna energia
Odkrycie nowego rodzaju materii nie zakończyło niespodzianek, jakie Wszechświat przygotował dla naukowców. W 1998 roku astrofizycy mieli kolejną szansę na porównanie danych teorii z faktami. Ten rok upłynął pod znakiem wybuchu supernowej w odległej od nas galaktyce.
Astronomowie zmierzyli odległość do niej i byli bardzo zaskoczeni uzyskanymi danymi: gwiazda rozbłysła znacznie dalej niż powinna, zgodnie z istniejącą teorią. Okazało się, że tempo ekspansji Wszechświata rośnie z czasem: teraz jest znacznie wyższe niż 14 miliardów lat temu, kiedy rzekomo nastąpił Wielki Wybuch.
Jak wiesz, aby przyspieszyć ruch ciała, musi ono przekazywać energię. Siła, która powoduje szybsze rozszerzanie się wszechświata, stała się znana jako ciemna energia. To nie mniej tajemnicza część kosmosu niż ciemna materia. Wiadomo tylko, że jest charakterystycznyrównomierny rozkład w całym wszechświecie, a jego wpływ można zarejestrować tylko z ogromnych kosmicznych odległości.
I znowu stała kosmologiczna
Ciemna energia wstrząsnęła teorią Wielkiego Wybuchu. Część świata naukowego jest sceptycznie nastawiona do możliwości istnienia takiej substancji i powodowanego przez nią przyspieszenia ekspansji. Niektórzy astrofizycy próbują wskrzesić zapomnianą stałą kosmologiczną Einsteina, która znowu z kategorii dużego błędu naukowego może wchodzić w liczbę hipotez roboczych. Jego obecność w równaniach tworzy antygrawitację, prowadząc do przyspieszenia ekspansji. Jednak niektóre konsekwencje obecności stałej kosmologicznej nie zgadzają się z danymi obserwacyjnymi.
W dzisiejszych czasach ciemna materia i ciemna energia, które stanowią większość materii we wszechświecie, są tajemnicą dla naukowców. Nie ma jednej odpowiedzi na pytanie o ich naturę. Co więcej, być może nie jest to ostatnia tajemnica, jaką strzeże przed nami przestrzeń. Ciemna materia i energia mogą stać się progiem nowych odkryć, które mogą zmienić nasze rozumienie struktury Wszechświata.
