Ciemna materia odnaleziona?

Dwoje astrofizyków zidentyfikowało ślady najbardziej tajemniczego składnika Wszechświata.

Ciemna materia i ciemna energia stanowią ponad 90 proc. masy Wszechświata. Nie emitują i nie odbijają światła, a ich istnienie zdradzają jedynie wywierane przez nie efekty grawitacyjne. Fizycy nie wiedzą nawet, jaka jest natura tych ciemnych składników kosmosu. Teraz dwoje astrofizyków z Fermilab najprawdopodobniej dostrzegło ślady obecności ciemnej materii. Czy to przełom?

Ciemna materia zdradziła swoją obecność w nieogarnionych przestrzeniach Drogi Mlecznej. Naukowcy najprawdopodobniej dostrzegli anihilację cząstek ciemnej materii, zachodzącą podczas potężnych zderzeń w centrum naszej Galaktyki.

Tylko ciemna materia może to wyjaśnić

- Nic poza ciemną materią nie jest w stanie wyjaśnić danych uzyskanych podczas naszych obserwacji – mówi Dan Hooper z Państwowego Laboratorium Przyśpieszania Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego w Batawii (w skrócie: Fermilab). – Trudno być pewnym, że nie istnieje jakieś inne wyjaśnienie, o którym nie pomyśleliśmy. Ale przedyskutowaliśmy to z wieloma ekspertami i nie usłyszałem niczego, co byłoby równie prawdopodobne – dodaje. Poza tym, jeśli ciemna materia istnieje, a raczej nikt w to nie wątpi, musimy ją kiedyś “namierzyć”.

Idea ciemnej materii pojawiła się w naukowym obiegu w latach 1930. Prędkość oddalania się galaktyk świadczyła o tym, że zawierały w sobie coś więcej niż tylko to, co dało sie zaobserwować. Ciemna materia nie odbija swiatła, a zatem jest nieobserwowalna. Jak obecnie się szacuje, ma stanowić 80 proc. całej materii kosmosu, a stare, dobre atomy, które znamy ze szkoły, to zaledwie 20 proc.! Do tego dochodzi jeszcze ciemna energia...

Należący do Fermilab teleskop kosmiczny GLAST od 2008 roku fotografuje niebo w promieniach gamma. Dzięki jego obserwacjom wiemy, że centrum naszej Galaktyki jest  w tym świetle jasniejsze niż się spodziewano. Hooper i jego studentka, Lisa Goodenough, sprawdzili wiele modeli, aby wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje. Żaden tradycyjny model się nie sprawdził. Konkluzją był wniosek, że powodem dziwnego blasku jest ciemna materia, której cząstki w tym miejscu są „upakowane” tak gęsto, że niszczą siebie nawzajem i zaczynają emitować promieniowanie.

Nieznane procesy

Fizycy uważają, że cząstki ciemnej materii są dla siebie nawzajem antycząstkami – a zatem, jeżeli w odpowiednich warunkach spotkają się ze sobą dwie cząstki ciemnej materii, anihilują się. Drugim wyjściem byłyoby to, w którym cząstki ciemnej materii napotykają swoje nieznane nam anty-cząstki. Tak czy siak, skutkiem byłyby eksplozje ciemnej materii -  w samym sercu naszej Galaktyki!

Analizując energię tego odległego promieniowania, Hooper and Goodenough  obliczyli, że ciemna materia powinna być skonstruowana z cząstek zwanych WIMP (Weakly Interacting Massive Particles – Słabo Oddziałujące Masywne Cząstki) o masach pomiędzy 7,3 and 9,2 GeV (gigaelektronowoltów) — a zatem dziewięć razy większych od protonu. Naukowcy postarali się także przewidzieć, jak cząstki te oddziaływałyby z innymi. To prawdziwy skok w naszej wiedzy na temat nieuchwytnej ciemnej materii. – Największy od czasu, kiedy w ogóle dowiedzieliśmy się o jej istnieniu – mówi Hooper.

Wyniki badań dwójki badaczy z Fermilab ukażą się w Physics Review Letters B.

Sprawa nie jest zamknięta

Wielu naukowców sceptycznie odnosi się do ustaleń Hoopera i Goodenough. Nie każdy jest w stanie uwierzyć, że święty Graal astrofizyki dał się uchwycić w tak prosty sposób. Co więcej, oficjalna ekipa badawcza Fermilab nie zakończyla jeszcze procesu analizy tajemniczego blasku dochodzącego z centrum Galaktyki Drogi Mlecznej. Eksperci Fermilab nie wykluczają, że może za nim stać ciemna materia, ale wciąż są otwarci na inne wyjaśnienia. – Uważamy, że astrofizyczne interpretacje sygnałów gamma z rejonu centrum Galaktyki muszą być dalej rozwijane – mówi Seth Digel, koordynator Large Area Telescope, drugiego z teleskopów Fermilab. – Nie powiem, że Lisa i Dan nie mają racji. Nie mogę tego zrobić, bo nie mamy jeszcze pełnego zrozumienia uzyskanych danych.

Hooper zgadza się, że wiele szczegółów wymaga jeszcze dopracowania, a sprawa nie jest zamknięta. Na tropie ciemnej materii znajdują się również ekipy stąpające w swoich badaniach po ziemi – dosłownie. Pościg za ciemnymi cząstkami ma miejsce także w podziemnych eksperymentach. Projekt CoGeNT, który prowadzą naukowcy z Uniwersytetu w Chicago w sudańskiej kopalni żelaza, odkrył wstępne ślady cząstek o mniej więcej tej samej masie, co cząstki Hoopera i Goodenough. Także Włosi, pracujący w ramach projektu DAMA w górach Sasso niedaleko Rzymu, mają problem z wyjaśnieniem swoich danych obserwacyjnych, jeżeli biorą pod uwagę tylko „normalne” cząstki.

Tym niemniej przekonanie astrofizycznego świata potrwa trochę czasu. – Trudno jest zinterpretować to, co widzą Dan and Lisa - komentuje Doug Finkbeiner z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge (USA). – Nie jestem przekonany, ale to nie znaczy, że nie mogą mieć racji.

Wygląda na to, że dylemat mogą rozwiązać najpotężniejsze akceleratory. Fermilab posiada Tevatrona, a pomoże także CERNowski LHC. Naukowcy uważają, że urządzenia te mogą przybliżyć nas do rozwiązania zagadki w ciagu najbliższej dekady. Pozostaje cierpliwie czekać.

(ew/space.com)