Błyski ciemnej materii

Zaczęło się w roku 1933 w Kalifornii. Młody astronom Fritz Zwicky przyglądał się gromadzie galaktyk Coma w konstelacji Warkocza Bereniki. Wydała mu się ciekawa, bo jest jedną z najgęstszych gromad – zawiera tysiące galaktyk, które związane są ze sobą siłami grawitacji. Zwicky wyznaczył najpierw, z ilu gwiazd składają się najjaśniejsze galaktyki w gromadzie, oszacował, jaką każda z nich ma masę, i określił siłę ich wzajemnego przyciągania. Dodatkowo obliczył, z jaką prędkością względem siebie się poruszają. I tu zauważył, że coś się nie zgadza. Rachunki wskazywały, że galaktyki poruszały się względem siebie zdecydowanie zbyt szybko, aby siła grawitacji mogła je utrzymać razem! Cała gromada powinna się rozpaść, podczas gdy trwała w najlepsze przez miliardy lat. Widocznej w galaktykach masy było po prostu zbyt mało do wytworzenia odpowiednio silnej grawitacji. Aby to wyjaśnić, Zwicky wysunął śmiałą hipotezę, że w skład gromady wchodzi dziwna, dodatkowa masa, której nie widzimy, a która jest źródłem brakującej grawitacji.

I tak zrodziła się koncepcja ciemnej materii, która nie emituje ani nie odbija promieniowania elektromagnetycznego (czyli nie widać jej w teleskopach), a swoje istnienie ujawnia tylko poprzez oddziaływanie grawitacyjne. Miałby być to drugi rodzaj materii, zupełnie inny niż ten, z którego my sami jesteśmy zbudowani. Hipoteza Zwicky’ego przez lata traktowana była z przymrużeniem oka, ale z biegiem czasu stało się jasne, że istnienie dodatkowej, niewidzialnej masy sugerują również inne obserwacje. Obecne dane dotyczące rotacji galaktyk, ich rozkładu, soczewkowania grawitacyjnego oraz mikrofalowego promieniowania tła wskazują, że w całym wszechświecie ciemnej materii jest ponad pięciokrotnie więcej niż zwykłej materii, z którą obcujemy na co dzień.

Za pomocą teleskopów jesteśmy zatem w stanie dostrzec jedynie niewielką część ogromu wszechświata. Reszta jest... no właśnie, czym?

Kosmiczne petardy

Wydaje się, że jeżeli ciemnej materii jest tak dużo, to powinna ona występować również w naszej Galaktyce, ba, nawet w bliskim otoczeniu Ziemi. Problem w tym, że nikt nigdy nie uchwycił choćby najmniejszego jej okruchu. Wciąż zatem nie wiemy, czym jest, jakie cząstki ją budują i skąd wynikają jej dziwne własności. Wyjaśnienie tej zagadki jest jednym z największych wyzwań współczesnej nauki. I z pewnością zasługuje na Nobla.

Jedna z proponowanych teorii podpowiada, że w skład ciemnej materii mogłyby wchodzić supermasywne cząstki, miliardy milionów razy cięższe od znanych nam cząstek, takich jak protony i neutrony. Ze względu na swoją olbrzymią masę już niewielka ich liczba dawałaby znaczący wkład do masy wszechświata. Niestety, oznacza to również, że byłyby rzadko rozsiane w przestrzeni i trudno byłoby je uchwycić. Dodatkowo bardzo słabo oddziaływałyby ze znaną nam materią, co jeszcze bardziej utrudniałoby ich detekcję.

Na pierwszy rzut oka próba ich uchwycenia wydaje się zatem skazana na porażkę. Jednak ta sama teoria mówi, że takie supermasywne cząstki mogłyby od czasu do czasu rozpadać się, produkując fotony, czyli cząstki światła, o ekstremalnie wysokich energiach, ponad miliony razy większych niż największe energie osiągane w CERN-ie. Pojawienie się takich ekstremalnie wysokoenergetycznych fotonów docierających z kosmosu mogłoby być oznaką rozpadu supermasywnych cząstek ciemnej materii. Wystarczy „tylko” sprawdzić, czy takie fotony do nas dolatują.

Najważniejszym instrumentem, za pomocą którego obecnie śledzimy, co dolatuje do nas z kosmosu, jest Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie. Zajmuje powierzchnię ponad 3 tysięcy kilometrów kwadratowych, a w jego skład wchodzi 1600 detektorów promieniowania wycelowanych w niebo. Jeżeli nad obserwatorium pojawia się w ziemskiej atmosferze jakaś energetyczna cząstka promieniowania kosmicznego, wywołuje ona kaskadowe powstawanie tysięcy innych cząstek, tak zwane wielkie pęki atmosferyczne, które docierają do powierzchni Ziemi i rejestrowane są przez detektory. Energie, czasy i położenie cząstek tworzących wielkie pęki mówią nam o własnościach pierwotnej cząstki, wywołującej całe zdarzenie. Najczęściej w sieć detektorów wpadają nisko- i średnioenergetyczne cząstki, pochodzące ze Słońca i innych gwiazd. Mechanizm ich powstawania znamy już dosyć dobrze. Kilka razy Obserwatorium Pierre Auger zarejestrowało jednak prawdziwe kosmiczne petardy – skrajnie energetyczne cząstki o niewyobrażalnych energiach. Ich pochodzenia dotychczas nikt nie potrafił w zadowalający sposób wytłumaczyć. Jedna z hipotez mówi, że te kosmiczne petardy są właśnie oznaką rozpadu cząstek ciemnej materii. Na podstawie kilku pojedynczych zdarzeń trudno jednak definitywnie to stwierdzić. Nic jednak nie wskazuje, że w najbliższym czasie moglibyśmy zarejestrować ich dużo więcej.

CREDO, czyli wierzę w odkrycie

Zamiast cierpliwie czekać na pojedyncze ekstremalnie wysokoenergetyczne fotony, można również obrać inną strategię. Bardzo prawdopodobnym scenariuszem rozpadu ciemnej materii są również liczne zespoły cząstek o niższych energiach, zwane kaskadami promieni kosmicznych. Takie kaskady mogą być rozmyte przestrzennie, np. na obszarze równym powierzchni Europy, i nie jest możliwe zidentyfikowanie ich za pomocą obecnie stosowanych metod. Nawet Obserwatorium Pierre Auger, pomimo swojej dużej powierzchni, nie byłoby w stanie ich wychwycić. Jak dotąd, nikt nigdy wielkich kaskad promieni kosmicznych nie zaobserwował. Ale też nikt nie próbował. Do ich zarejestrowania potrzebny jest bowiem olbrzymi detektor promieniowania kosmicznego, najlepiej pokrywający całą kulę ziemską. Brzmi fantastycznie i nierealnie. Okazuje się jednak, że nie jest to takie trudne, jak się może wydawać. Co więcej, jesteśmy już blisko budowy takiego ogólnoziemskiego obserwatorium.

Idea polega na tym, by na bieżąco zbierać w jednym miejscu dane z wszelkiego rodzaju już istniejących detektorów rozrzuconych po całej Ziemi lub latających ponad nią. Nie trzeba zatem inwestować w nowy sprzęt. Wystarczy stworzyć sieć, która zbierałaby dane i na bieżąco je analizowała. Jeżeli w tym samym czasie detektory w różnych częściach świata zaraportowałyby wykrycie cząstek promieniowania kosmicznego, mógłby być to sygnał, że gdzieś we wszechświecie rozpadła się supermasywna cząstka ciemnej materii. Sygnał, który doprowadzi nas do rozwikłania jednej z najbardziej intrygujących zagadek wszechświata.

Globalna strategia badawcza ukierunkowana na obserwacje kaskad promieni kosmicznych została zaproponowana na forum międzynarodowym w zeszłym roku przez krakowskich fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Do projektu dołączyli naukowcy z Politechniki Krakowskiej, informatycy z centrum komputerowego Cyfronet AGH oraz badacze z kilku innych instytutów w Polsce i za granicą, tworząc międzynarodowy projekt o nazwie CREDO (ang. Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory, czyli skrajnie rozproszone obserwatorium promieniowania kosmicznego). CREDO stawia sobie bardzo ambitny cel: monitoring i globalną analizę wszystkich dostępnych danych dotyczących promieniowania kosmicznego. Począwszy od danych zbieranych przez największe instrumenty, takie jak Obserwatorium Pierre Auger, poprzez średnie stacje uniwersyteckie, a skończywszy na małych detektorach szkolnych.

Wieloryby i wielkie ławice małych ryb

To, co chce zrobić CREDO, można porównać do połowu ryb. Jeżeli chcemy złowić wieloryba przy pomocy sieci rybackiej, to oka tej sieci mogą być duże, bo i wieloryb jest całkiem spory. Czasem o naszą sieć może zahaczyć się i mała rybka, ale szybko z niej wypadnie. Wspomniane Obserwatorium Pierre Auger jest taką siecią z dużymi okami, ukierunkowaną na obserwację kosmicznych wielorybów. Małe pęki promieniowania kosmicznego, czyli małe rybki, również do niej wpadają, dając słabe sygnały, ale traktowane są jak niechciane tło i wyrzucane do kosza.

CREDO natomiast poluje na ogromną ławicę bardzo małych ryb. Taka ławica oczywiście mogłaby lekko poruszyć nawet wielorybniczą sieć. Gdyby ryby otarły się o sieć w różnych miejscach mniej więcej jednocześnie, te stuknięcia moglibyśmy zarejestrować i stwierdzić, że oto przepłynęło wiele małych stworzeń. Jeśli jednak ławica jest ogromna, znacznie większa niż nasza sieć, możemy nie zorientować się, z czym mamy do czynienia.

Żeby ją uchwycić, trzeba mieć dostęp do informacji z innych sieci, zarówno małych, jak i dużych, i informacje te analizować zbiorczo. Podobnie wygląda sprawa detekcji kaskad promieni kosmicznych: im więcej będziemy mieć sieci, tym większa szansa, że uchwycimy sygnał od wielkiej ławicy nawet najmniejszych ryb i będziemy w stanie podać jej parametry, takie jak wielkość, energia i liczność. Skutecznym wydaje się zatem zarówno grzebanie w koszach wielkich obserwatoriów, jak i zarzucanie wielu dodatkowych małych sieci, czyli włączanie w połów jak największej liczby małych detektorów. Te najmniejsze każdy z nas nosi w kieszeni.

Weź smartfon i zostań odkrywcą

Gęstą i rozległą sieć, gotową wykryć wielkie kaskady promieni kosmicznych, można osiągnąć za pomocą smartfonów, które wykorzystując światłoczułą matrycę, również mogą sprawnie wykrywać cząstki docierające z kosmosu. Takie małe detektory, choć niepozorne w porównaniu do tych w Argentynie, mogą pomóc w wychwyceniu zjawisk, których tamte wielkie nie wyłapią. Aby wesprzeć naukowców w ich poszukiwaniach, wystarczy uruchomić specjalną aplikację oraz moduł GPS, które razem powiedzą, gdzie i kiedy została zarejestrowana cząstka promieniowania kosmicznego. Pracujący w tym trybie smartfon zbiera informacje, gdy nie jest wykorzystany do innych celów. Nawet śpiąc, można przysłużyć się światowej nauce.

Jeśli projekt ma się udać, uczestników projektu musi być naprawdę wielu, około miliona. Oznacza to największą współpracę naukową na świecie. Ale innej drogi realizacji proponowanej strategii nie ma – im detektorów więcej, tym większe szanse na zauważenie rozproszonej ławicy kosmicznych cząstek.

Cały projekt rusza z kopyta we wrześniu – wtedy zostanie udostępniona aplikacja na smartfony oraz platforma, na której można będzie na bieżąco śledzić przebieg eksperymentu i porównywać zarejestrowane przez siebie dane z wynikami innych detektorów. Wszystkie informacje spływać będą do centrum komputerowego Cyfronet AGH. Tam też superszybkie komputery przeanalizują, co wynika z danych zebranych z całej kuli ziemskiej. Ponieważ projekt ma charakter otwarty, osoby chętne do przeżycia naukowych przygód będą miały dostęp do wszystkich danych i okazję, aby spróbować swoich sił w tropieniu cząstek ciemnej materii. Co więcej, zostaną współautorami publikacji naukowych: każda zarejestrowana cząstka to przecież przyczynek do sukcesu projektu, wart uhonorowania miejscem na liście autorów. A że nazwisk na liście autorów będzie bardzo dużo? O to niech już się martwią wydawcy. Warto dodać, że przy odrobinie naukowego szczęścia współautorstwo w publikacjach może oznaczać również udział w Nagrodzie Nobla. Czy każdy z nas o tym kiedyś nie marzył?

A co, jeśli okaże się, że nie znajdziemy żadnego ciekawego śladu nieznanych nam cząstek? Lider projektu, dr hab. Piotr Homola z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, nie wydaje się zaniepokojony: – Nawet jeżeli nie potwierdzimy istnienia supermasywnych cząstek ciemnej materii, to i tak dowiemy się czegoś nowego o kosmosie. W fizyce również brak sygnału to ważna informacja. Poza tym projekt CREDO nie ogranicza się do badań astrofizycznych. Przy pomocy globalnej sieci detektorów promieniowania kosmicznego będzie można prowadzić również badania geofizyczne. Chcemy np. zweryfikować hipotezę o istnieniu związku pomiędzy zmianami natężenia promieniowania kosmicznego a trzęsieniami ziemi. Może brzmi to jak science fiction, ale taka hipoteza jest faktycznie omawiana w fachowej literaturze, a my będziemy dysponować najlepszym instrumentem do jej przetestowania. Czy doprowadzi to do opracowania metody przewidywania trzęsień ziemi? Nie wiemy. Ale jeśli jest na to choć cień szansy, warto spróbować – kończy naukowiec. – Tak naprawdę nie jesteśmy w stanie przewidzieć rezultatów obserwacji dokonanych przez CREDO i tego, co może z nich wyniknąć, bo podobnego pomysłu nigdy wcześniej po prostu nie było. Ogólnoziemskie obserwatorium to istny ocean możliwości, okno, za którym czeka na nas naukowa terra incognita. ©

Autor jest doktorem fizyki, pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN. Zajmuje się również popularyzacją nauki. Współzałożyciel serwisu fiztaszki.pl, laureat specjalnego wyróżnienia w konkursie Popularyzator Nauki 2013 PAP i MNiSW.

Jeszcze bardziej zagadkowym składnikiem naszego wszechświata niż ciemna materia jest ciemna energia, która stanowi ponad 2/3 całkowitego bilansu masy-energii. CZYTAJ TUTAJ >>>