Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Wszechświat to coś więcej niż gwiazdy, planety, asteroidy, komety i pył kosmiczny. W rzeczywistości we Wszechświecie jest jeszcze coś, czego nie potrafimy jeszcze wyjaśnić, ale  widzimy wpływ grawitacyjny tego czegoś na otoczenie. To ciemna materia. W przeciwieństwie do gwiazd, planet, gazu, pyłu, asteroid i komet, ciemna materia nie emituje ani nie odbija światła.  

Naukowcy uważają, że ciemna materia, którą do tej pory wykryliśmy jedynie poprzez efekty grawitacyjne w przestrzeni kosmicznej, stanowi około jednej czwartej (26,8%) całkowitej masy i energii Wszechświata, a coś, co napędza przyspieszającą ekspansję Wszechświata – co naukowcy nazywają ciemną energią – stanowi kolejne 68,3%. Zwykła materia, taka jak gwiazdy, planety i galaktyki, stanowi zaledwie 4,9% całkowitej masy i energii Wszechświata. Istnieje więc znaczna część Wszechświata, o której nie wiemy zbyt dużo. Nie jesteśmy pewni, czy ciemna materia składa się z nieodkrytych cząstek, czy też można ją wyjaśnić poprzez modyfikację znanych praw fizyki. Jej skład może nas wiele nauczyć o historii i strukturze naszego Wszechświata.

Za "ojca" ciemnej materii uważa się szwajcarskiego astronoma Fritza Zwicky'ego, który jako pierwszy – w 1933 roku – zbadał istnienie ciemnej materii. Badał gromadę galaktyk znajdującą się w gwiazdozbiorze Warkocz Bereniki i stwierdził, iż galaktyki poruszają się tam ze znacznie większymi prędkościami, niż wynikałoby to z ich wzajemnego oddziaływania grawitacyjnego. Wyglądało to tak, jakby jakaś niewidzialna materia rozpędzała galaktyki swoim grawitacyjnym wpływem. Skoro materia ta była niewidzialna, nie mogła oddziaływać elektromagnetycznie, nie mogła emitować ani pochłaniać fal elektromagnetycznych w żadnym zakresie. Nie świeciła, a więc była „ciemna”. Stąd właśnie wzięła się jej nazwa. Do podobnych wniosków doszedł również Sinclair Smith z Mount Wilson Observatory na podstawie obserwacji gromady w Pannie. Początkowe obserwacje i wnioski astronomów nie przekonały środowiska naukowego. Dopiero w latach 70. i 80. XX wieku badania Very Rubin i jej współpracowników wykazały, że masa obserwowanej materii we Wszechświecie jest niewystarczająca, aby wytłumaczyć istniejące siły grawitacji wewnątrz galaktyk i pomiędzy nimi. W szczególności gwiazdy na obrzeżach galaktyk poruszają się znacznie szybciej, niż wynikałoby to z przyciągania przez obserwowaną materię. Gdyby nie ciemna materia, galaktyki, w tym nasza Droga Mleczna, po prostu by się rozpadły. Najlepiej obecność ciemnej materii widać w sposobie rotacji galaktyk i w zachowaniu się ich gromad. Co ciekawe, najnowsze badania pokazują, że pewne typy galaktyk nie zawierają ciemnej materii i nie potrzebują jej do zachowania stabilności. Dlaczego ten niewidzialny budulec oddziałuje jedynie przez grawitację, najsłabszą z podstawowych sił natury? Tego nie wiemy.  

Czym zatem jest ciemna materia? Ma na pewno bardzo niewielką gęstość – niewielką, ale jednak większą od gęstości międzygalaktycznego gazu. Oddziałuje ze wszystkim – także z ciemną materią. Fizycy cząstek elementarnych przypuszczają, że ciemną materię stanowią tak zwane cząstki supersymetryczne, których poszukują w zderzeniach przeprowadzanych w akceleratorze LHC. Ponieważ nie wiadomo, czym jest ciemna materia, kwitną różne teorie. Przez jakiś czas sądzono, że poszukiwaną ciemną materią są hipotetyczne cząstki elementarne zwane WIMP-ami (skrót od Weakły Interacting Massive Particle – słabo oddziałujące cząstki masywne), później – że WIMPZILLA (cząstki bilion razy cięższe niż protony), aż w końcu że neutrina. Istnieje jeszcze inna możliwość  – być może cząstkami ciemnej materii są aksjony, hipotetyczne cząstki o małej masie, powstałe w wielkiej liczbie po Wielkim Wybuchu.

Poszukiwania trwają. Identyfikacja ciemnej materii i poznanie jej własności jest jednym z najważniejszych wyzwań, jakie stoją przed współczesną fizyką. Bez tego nie będziemy mogli ani rozwijać modeli kosmologicznych, ani zrozumieć ewolucji Wszechświata, ani przewidzieć jego przyszłych losów. Dlatego z każdym rokiem celebrowanie Dnia Ciemnej Materii staje się powszechniejsze. Coraz więcej uczelni i instytucji naukowych oraz szkół włącza się w obchody, promując wiedzę na temat kosmosu i otaczającego nas świata.