Na tropie ciemnej materii

Fritz Zwicky miał wszelkie kwalifikacje, by trafić do panteonu najbardziej celebrowanych fizyków XX stulecia. Jeśli szwajcarsko-czeski astronom nie jest zazwyczaj wymieniany w jednym szeregu z Albertem Einsteinem, Marią Skłodowską-Curie, Nielsem Bohrem, Maxem Planckiem czy Richardem Feynmanem, to zapewne dlatego, że oprócz talentu do uprawiania nauki miał też drugi, równie wyjątkowy – do zrażania do siebie wszystkich dookoła. Mówiąc wprost, był kosmicznie upierdliwy.

I tak z jednej strony to on stworzył termin „supernowa” i wypatrzył więcej (122) tych eksplozji gwiazd niż jakikolwiek inny astronom. Z drugiej, zapytany o osiągnięcia kolegów po fachu rzucił coś o „bezużytecznych śmieciach w przepastnych periodykach astronomicznych”. To on przewidział istnienie gwiazd neutronowych, ale miał też powiedzieć „astronomowie to sferyczne dranie. Bez względu na to, jak na nich spojrzysz, to dranie”. Stworzył katalog galaktyk, który stał się jednym z podstawowych narzędzi dla jego następców, ale poprzedził go wstępem, w którym innych badaczy nazywał „lizusami” i „złodziejami”.

Mimiwirus pod wieloma względami przypomina pasożytnicze mikroorganizmy. Może więc jego przodkiem były żyjące komórki? >>>>

Słowem, współpraca z nim nie była łatwa. Ale to właśnie on w 1933 r. zdał sobie sprawę z tego, że ze Wszechświatem, albo raczej z naszym rozumieniem go, jest coś fundamentalnie nie tak.

Badając gromadę galaktyk Warkocza Bereniki, natknął się na poważną rozbieżność między teorią a obserwacjami. Galaktyki (wraz z tworzącymi je gwiazdami i planetami) nie pozostają w bezruchu, tylko pędzą przed siebie. Średnia prędkość galaktyk w gromadzie powinna być związana z ich łączną masą, bo każda galaktyka jest przyciągana grawitacją pozostałych. Ale gdy Zwicky porównał wyliczenia masy gromady przeprowadzone w oparciu o prędkości galaktyk, z wynikiem uzyskanym innym sposobem – na podstawie jasności gwiazd – okazało się, że ta pierwsza wartość jest wielokrotnie większa od drugiej.

Doszedł więc do wniosku, że gromada musi zawierać ogromną ilość niewidocznej materii, której przyciąganie powstrzymuje szybko poruszające się galaktyki przed rozpierzchnięciem się w czeluściach Wszechświata. Nazwał ją „ciemną materią”. A ta okazała się jedną z największych zagadek Wszechświata.

Lot Euklidesa

Kilka odpowiedzi na pytanie o naturę ciemnej materii dać może najnowsze, przygotowane przez Europejską Agencję Kosmiczną obserwatorium Euclid. Kosmiczny teleskop, którego start planowany jest na 1 lipca, ma zmierzyć miliony galaktyk, badając ich kształt i jasność, by stworzyć mapę pokazującą to, jak we wszechświecie rozłożona jest materia. „Zwykłej” materii – tej, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my sami – jest przeszło pięciokrotnie mniej niż owej ciemnej materii wykrytej przez ­Zwicky’ego. Jeszcze więcej w kosmosie jest tzw. ciemnej energii, która w nauce zadomowiła się jeszcze później i także nadal czeka na wyjaśnienie.

Mimo 70 lat poszukiwań nadal mało wiemy o ciemnej materii. Przede wszystkim to, że jest wszechobecna, że skupia się w ogromnych, otaczających galaktyki „obłokach” i że najprawdopodobniej jest „zimna” – tzn. jeśli, jak podejrzewamy, złożona jest z jakichś egzotycznych cząstek, to nie osiągają one wielkich prędkości.

Problemem jest to, że jest niezwykle introwertyczna. Wszystko wskazuje na to, że ciemna materia niemal nie oddziałuje na zwykłą – i odwrotnie. Nie dla niej rządzące światem atomów oddziaływania elektromagnetyczne czy silne. Według niektórych modeli ciemna materia może „rozmawiać” ze zwykłą za pomocą trzeciej z fundamentalnych sił, tzw. oddziaływania słabego, ale jedynym wynikającym z modeli pewnikiem jest to, że ma ona masę, a co za tym idzie – oddziałuje grawitacyjnie.

W kółko o nich słyszę. Nikt mi jednak nie wyjaśnił, gdzie zostały opublikowane, co grozi za ich złamanie i czy zbliża się jakaś nowelizacja. A może światem nie rządzą prawa, tylko obyczaje, natręctwa albo mody? >>>>

Nie mamy pewności, czy ciemna materia zbudowana jest z cząstek – a jeśli tak, to czy z jednego rodzaju, czy wielu. Część badaczy spekuluje, że w interakcjach z innymi cząstkami materii ciemne cząstki mogą posługiwać się piątym, nieznanym dotąd fundamentalnym oddziaływaniem. Że mogą tworzyć „mroczne atomy”, „mroczną chemię”, „mroczne gwiazdy” – drugi, ukryty przed naszymi oczami, wszechświat.

Wielkie obłoki ciemnej materii z naszego punktu widzenia nie robią jednak niemal nic. Po prostu są i grawitują. Ale ta grawitacja jest kluczowa. Tworzy rusztowanie dla całej struktury Wszechświata.

Mroczna menażeria

Mniej czy bardziej egzotycznych wyjaśnień fenomenu ciemnej materii mamy zatrzęsienie. W 2005 r. Virginia Trimble, astronomka z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, naliczyła ich 75.

Sam Zwicky początkowo uważał, że dla zaobserwowanego przez niego zjawiska musi istnieć inne, prostsze wyjaśnienie. Na przykład że „zaginiona” (niewidoczna, ale oddziałująca grawitacyjnie) masa Wszechświata może ukrywać się w obłokach międzygwiezdnego gazu. Gdy jednak w latach 50. radioastronomia rozwinęła się na tyle, że uczeni byli w stanie wykrywać zawieszone między gwiazdami atomy wodoru, okazało się, że jest ich zdecydowanie za mało. Kandydatami były też miniaturowe czarne dziury czy samotne „brązowe karły” – gwiazdopodobne kule gazowe, zbyt małe, by zostać prawdziwymi, świecącymi gwiazdami. Tych też nie ma jednak dostatecznie wiele.

Naukowcy zaczęli więc szukać czegoś nowego. Pierwszym kandydatem były neutrina – niezwykle szybkie i bardzo słabo oddziałujące cząstki elementarne, które, o czym już wtedy naukowcy byli przekonani, są jednymi z najpowszechniejszych elementów składowych kosmosu.

– Neutrina były pierwszymi faworytami na ciemną materię, bo wiedzieliśmy, że istnieją. Musiałyby mieć względnie niewielką masę, by spełniać wszystkie założenia wynikające z naszych obserwacji, więc aż do lat 80. były uważane za dobrego, bardzo „ekonomicznego” kandydata – tłumaczy „Tygodnikowi” prof. Frank Wilczek, zdobywca Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 2006 r. – Ale wraz z pogłębianiem się naszej wiedzy na ich temat, a także wraz z udoskonalaniem naszych modeli formowania się struktury Wszechświata, neutrina przestały pasować. Okazuje się, że są zbyt lekkie. Po drugie, pod ich wpływem struktura Wszechświata formowałaby się nieco inaczej, niż miało to miejsce w rzeczywistości – dodaje prof. Wilczek.

Obraz

Neutrina nie wypadły całkowicie z wyścigu, bo ich egzotyczna forma, tzw. neutrina sterylne, wciąż mogłyby stanowić część rozwiązania. Ale jako że nie udało się ich zaobserwować, alternatywne wyjaśnienia zaczęły się mnożyć. Niektóre zakładają, że ciemnej materii nie ma, a problemem jest to, że źle rozumiemy to, jak działa grawitacja. To np. tzw. modele zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej (MOND). Dość dobrze wyjaśniły one galaktyczne procesy na stosunkowo niewielkich skalach, mniej więcej jednej galaktyki, ale poniosły klęskę, gdy naukowcy starali się ekstrapolować wnioski na strukturę całego Wszechświata. Inne hipotezy zapełniały wszechświat egzotycznymi cząstkami i obiektami o wymyślnych nazwach. Mody na MACHO, DAEMON-y i inne przychodziły i odchodziły. Bardzo długo największą nadzieją na odnalezienie ciemnej materii były tzw. WIMP-y, czyli „słabo oddziałujące masywne cząstki”.

– To był bardzo dobry pomysł. Zakładał istnienie cząstek, które są bardzo masywne, ale oddziałują z resztą materii wyłącznie za pomocą tzw. oddziaływania słabego – tłumaczy prof. Wilczek.

WIMP-y powinny dawać się wykrywać sposobami, którymi dziś poszukujemy neutrin. Ale cały szereg eksperymentów, prowadzonych m.in. w Wielkim ­Zderzaczu Hadronów pod Genewą, nie przyniósł żadnych rezultatów. Wilczek, wraz z międzynarodowym zespołem badaczy, postanowił więc poszukać rozwiązania gdzie indziej.

Proszek do prania fizyki

Jeszcze w latach 70. XX w. fizycy zauważyli coś bardzo dziwnego w modelu standardowym – fizycznych ramach opisujących to, jak funkcjonuje cały znany nam świat cząstek subatomowych.

Silne oddziaływanie jądrowe, które wiąże kwarki, tworząc protony i neutrony, okazuje się w pewnym sensie „bardziej symetryczne”, niż przewiduje model standardowy. Jak wynika z pomiarów akceleratorowych, działa ono tak samo na cząstki, jak i na antycząstki, gdyby te ostatnie poddać lustrzanemu odbiciu. Innymi słowy, świat, w którym zastąpilibyśmy materię antymaterią oraz zamienili stronę lewą z prawą, wyglądałby dokładnie tak samo – przynajmniej gdy idzie o oddziaływanie silne. Sęk w tym, że model standardowy nie wyjaśnia, dlaczego. Choć ten problem (nazywany „silnym problemem CP”) brzmi dość ezoterycznie, to stanowi jedną z największych zagadek współczesnej fizyki.

W 1977 r. fizycy Helen Quinn i Roberto Peccei, pracujący na Uniwersytecie Stanforda, zdali sobie sprawę, że mogą rozwiązać problem w prosty i elegancki sposób, wzbogacając model standardowy o nową symetrię. Jak wkrótce wykazał Wilczek, wówczas 27-latek, z symetrii tej musi wynikać istnienie nowej cząstki. A jako że ta cząstka miała „wyczyścić” problem z modelem standardowym, fizyk nazwał ją „aksjonem”, na cześć nazwy popularnego proszku do prania.

– Aksjony były próbą wyjaśnienia tajemniczych właściwości modelu standardowego. Mają niezwykłe własności. Są bardzo lekkie i bardzo słabo wchodzą w interakcje z innymi cząstkami – tłumaczy prof. Wilczek. – Z perspektywy czasu niezwykłe jest to, że wówczas nikt nie myślał o nich z punktu widzenia kosmologii, ale w tamtych czasach kosmologia była nieco podejrzliwie traktowana przez badaczy pracujących nad fundamentalną fizyką, ponieważ dostępne metody pomiarowe były raczej prymitywne.

Początkowo aksjony nie wzbudziły wielkiego zainteresowania jako kandydat na ciemną materię, bo są znacznie lżejsze od WIMP-ów. Jednakże zgodnie z modelami musiałyby one istnieć w tak ogromnych ilościach, że fizycy wkrótce zdali sobie sprawę, że mogą wyjaśnić znaczną część „brakującej” masy Wszechświata. Ba, niektóre symulacje wskazują, że przy pewnych właściwościach mogłoby ich być wręcz zbyt wiele, co rodziłoby kolejny problem.

– Modele dynamiki aksjonu wskazują, że może on tworzyć „zawiesinę” cząstek przenikających cały Wszechświat – mówi Wilczek. – Ma jednocześnie dokładnie takie właściwości, jakie miałaby mieć ciemna materia. Niezwykłe było to, że rozwiązując jeden problem, znaleźliśmy odpowiedź na inny, z którego nie zdawaliśmy sobie jeszcze sprawy.

Radio Aksjon

Oczywiście pozostaje jeszcze jeden detal. Aksjonów także nie udało nam się dotąd zaobserwować. Przynajmniej bezpośrednio.

Na początku czerwca tego roku zespół kierowany przez Keira Rogersa z Uniwersytetu Toronto zaprezentował jednak wyniki badań, które wydają się pokazywać, że Wilczek jest na właściwej drodze. Zamiast szukać aksjonów bezpośrednio, badacze przyjrzeli się strukturze Wszechświata. Sprawdzali, jak bardzo materia we Wszechświecie się „zbryla”. Okazało się, że jest ona rozłożona zdecydowanie bardziej równomiernie, niż oczekiwano. A to zgadza się z symulacjami ewolucji Wszechświata zakładającymi, że to właśnie te superlekkie cząstki stanowią „brakującą” materię.

„Jeśli te wyniki zostaną potwierdzone przez przyszłe obserwacje teleskopowe i eksperymenty laboratoryjne, odkrycie ciemnej materii aksjonowej byłoby jednym z najważniejszych osiągnięć naukowych tego stulecia”, stwierdził Rogers. A pomysłów na podglądanie i podsłuchiwanie aksjonów jest coraz więcej. Dwa wielkie eksperymenty są o krok od startu.

– Długo wydawało się, że perspektywa przetestowania naszej hipotezy jest bardzo odległa, bo oddziaływania aksjonów są bardzo, bardzo słabe – stwierdza Wilczek. – Ale stopniowo ludzie zaczęli zdawać sobie sprawę, że możliwe jest stworzenie wystarczająco czułych detektorów.

Sam Wilczek pracuje właśnie nad instrumentem, który poszukiwania aksjonów ma rozpocząć już za rok. Eksperyment ALPHA wspólnie realizują naukowcy z MIT, Uniwersytetu Sztokholmskiego, Laboratorium Oak Ridge i kilku innych instytucji naukowych.

Aksjonów szuka się trochę tak jak programu radiowego – żeby je znaleźć, trzeba mieć odpowiednią antenę i wybrać właściwą częstotliwość. W tym przypadku precyzja jest niezwykle istotna, bo sygnał ciemnej materii byłby bardzo słaby. „Anteną” będzie tu tzw. haloskop plazmowy, czyli specjalnie zaprojektowany cylinder wypełniony plazmą, umieszczony w silnym, odpowiednio dostrojonym polu magnetycznym. Hipotetyczne aksjony, przelatując przez takie urządzenie, wprawiałyby plazmę w dające się wykryć oscylacje.

– To zdecydowanie nie jest mały eksperyment. Potrzebujemy silnego pola magnetycznego i dużej objętości, która pozwala nam wyłowić sygnał. Musimy mieć też bardzo ciche otoczenie, które nie zagłuszy szukanego przez nas sygnału – mówi prof. Wilczek. – Nie wiemy jednak, jakiej częstotliwości szukamy ani czy to tylko jedna częstotliwość. Teoria daje nam pewien zakres możliwości, musimy więc stworzyć odbiornik, który będzie można dostrajać, przeszukując je wszystkie. To jednak duże wyzwanie inżynierskie – dodaje noblista.

Wyzwanie, które jest już niemal przezwyciężone. Zbudowane w Niemczech magnesy są już w drodze do USA. Tam, w Narodowym Laboratorium Oak Ridge, powstaje całe urządzenie. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, pierwsze próby dostrojenia się do mrocznego radia mogą ruszyć za niespełna rok.

– Już samo wykrycie sygnału byłoby otwarciem zupełnie nowego okna na Wszechświat – podkreśla Wilczek. – Ale gdy odnajdziemy właściwą częstotliwość, eksperymenty staną się prostsze, a my będziemy mogli zacząć zadawać bardziej wyrafinowane pytania. Czy ten sygnał wykazuje jakąś strukturę? Czy dociera do nas z różnych stron?

Latarką przez ścianę

Twórca terminu „aksjon” nie jest jedynym, który szuka tajemniczych cząstek. Europejscy badacze mają nad Wilczkiem rok przewagi.

Najczulszy jak dotąd detektor ciemnej materii ruszył bowiem w maju, w mieszczącym się w Hamburgu ośrodku badawczym DESY. Prowadzony tam ­eksperyment ALPS II również poszukuje aksjonów, robi to jednak w zupełnie inny sposób.

Matematyczne modele wskazują na to, że w silnym polu magnetycznym możemy wytwarzać aksjony sztucznie. W wystarczająco silnym polu magnetycznym foton, czyli cząstka światła, może przeobrazić się w aksjon i odwrotnie – oczywiście, o ile modele są poprawne.

Jako że w przeciwieństwie do fotonów aksjony nic nie robią sobie z fizycznych przeszkód, niemiecki eksperyment to w zasadzie próba poświecenia latarką przez litą ścianę. Promień lasera skierowanego na nieprzezroczystą przeszkodę poddany będzie działaniu silnych magnesów. Po przejściu przez ścianę druga, bliźniacza bateria magnesów będzie czyhać na jakąkolwiek cząstkę, która mogłaby przebić się przez przeszkodę. Jeśli więc po drugiej stronie pojawi się światło, naukowcy będą mieli mocne powody, by podejrzewać, że pole magnetyczne sprawiło, iż to właśnie aksjon, „wyprodukowany” przed przeszkodą, ponownie przeobraził się w foton.

Tyle że prawdopodobieństwo wystąpienia takiego zjawiska jest niezwykle małe. „Mimo wszystkich sztuczek technicznych, jakie stosujemy, prawdopodobieństwo jest mniej więcej takie, jak rzucenie 33 kostkami do gry jednocześnie i otrzymanie jednakowego wyniku na wszystkich” – stwierdził lider projektu Axel Lindner.

Warto jednak rzucać tymi kośćmi, bo gra toczy się o coś więcej niż tylko rozwiązanie liczącej niemal sto lat zagadki brakującej materii. Podobnie jak detekcja fal grawitacyjnych, dokonana w 2015 r. przez obserwatoria LIGO i Virgo, wykrycie aksjonów pozwoliłoby nam spojrzeć na Wszechświat w nowy, niedostępny wcześniej sposób. Co, oczywiście, może rodzić kolejne zagadki. I doprowadzić do odkrycia nowych, fundamentalnych praw rządzących Wszechświatem.

©