Szacunkowy rozkład ciemnej materii (22%) i
ciemnej energii
(74%) we wszechświecie; "zwykła" materia stanowi około 4% masy wszechświata.
Ciemna materia –
materia
nieemitująca i nieodbijająca
światła
, której istnienie zdradzają jedynie wywierane przez nią efekty
grawitacyjne
. Według współczesnej wiedzy stanowi ok. 22–23% masy
Wszechświata
, obok materii zwykłej (widzialnej) i dominującej
ciemnej energii
.
Istnienie ciemnej materii zostało pośrednio potwierdzone obserwacyjnie w
2006
, ale jej dokładna natura (z czego się składa) do tej pory nie została wyjaśniona. Jest to obecnie jedna z największych zagadek w
kosmologii
i
fizyce cząstek elementarnych
.
Historia i argumenty obserwacyjne
W latach 70. i 80.
XX wieku
liczne obserwacje, zwłaszcza
krzywych rotacji galaktyk
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. Tę sytuację próbowano tłumaczyć m.in. zakładając, że grawitacja na dużych odległościach działa inaczej niż wynika z
mechaniki klasycznej
(patrz
MOND
), albo że galaktyki otacza niewidoczne dla nas
halo
, zawierające brakującą masę.
Początkowo, termin ciemna materia był bardzo kontrowersyjny, gdyż sprawiał wrażenie typowej hipotezy stworzonej ad hoc. Obserwacje
soczewkowania grawitacyjnego
umożliwiły z czasem określenie prawdopodobnego rozkładu nieobserwowanej materii, co przekonało do jej istnienia większość środowiska naukowego.[2]
Za koronny dowód jej istnienia przyjmuje się dane obserwacyjne
gromady galaktyk Pocisk
, opublikowane w sierpniu 2006. Obok miejsca zderzenia dwóch
gromad galaktyk
znajdują się tam obszary soczewkujące grawitacyjnie, w których nie znajdują się gwiazdy ani gaz. Zawierają one prawdopodobnie materię nie oddziałującą ze zwykłą materią, która nie została wyhamowana w czasie zderzenia[3][4][5].
Właściwości i hipotezy wyjaśniające
Zgodnie ze współczesnymi hipotezami, ciemna materia występuje w całym Wszechświecie, zarówno w przestrzeni międzygwiezdnej wewnątrz
galaktyk
jak i
między galaktykami
. Nie świeci ona i nie wywiera
ciśnienia
. Wpływa w istotny sposób na
powstawanie galaktyk
,
anizotropię
mikrofalowego promieniowania tła
i ewolucję Wszechświata.
Ciemna materia nie musi być zbudowana z jednego rodzaju cząstek. Przypuszcza się istnienie kilku typów ciemnej materii.
-
Barionowa
ciemna materia - czyli zbudowana z
protonów
i
neutronów
. Częścią ciemnej materii mogą być masywne nieświecące obiekty
MACHO
i
brązowe karły
.
- Niebarionowa ciemna materia:
-
gorąca ciemna materia
- zbudowana z cząstek poruszających się prędkościami
relatywistycznymi
. Takimi cząstkami mogą np. być
neutrina
, choć według obecnej wiedzy nie mogą stanowić całej ciemnej materii.
-
zimna ciemna materia
- zbudowana z nieoddziałujących elektromagnetycznie masywnych cząstek poruszających się z mniejszymi prędkościami (
WIMP
). Nie odkryto dotychczas cząstek które spełniałyby te wymagania.
Jedynymi znanymi cząstkami niebarionowej ciemnej materii są
neutrina
. Prawdopodobne wydają się
aksjony
,
WIMPy
i ciemna materia Kaluzy-Kleina (
ang.
Kaluza-Klein Dark Matter, zob.
teoria Kaluzy-Kleina
). Rozważa się też takie cząstki, jak neutrino sterylne, WIMPzilla i LIMPy.
Hipotezy alternatywne
Istnieje kilka hipotez alternatywnych, próbujących tłumaczyć w inny sposób zjawiska, z powodu których stworzono hipotezę ciemnej materii.
Np. izraelski fizyk
Mordehai Milgrom
zaproponował modyfikację dynamiki newtonowskiej (
MOND
). W jego
dynamice
prawo mówiące, że
siła
jest wprost proporcjonalna do masy i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, ulega modyfikacji, w przypadku, gdy oddziaływanie jest bardzo słabe.
Zmodyfikowane równanie
Newtona
ma postać:
gdzie a0 jest stałą o wymiarze przyspieszenia, a0 ~ 10-8 cm/s2.
Według tej teorii siła grawitacji w większych odległościach byłaby większa, niż się obecnie przypuszcza, a to tłumaczyłoby stabilność dysków
galaktyk spiralnych
. Idea zmodyfikowanej teorii grawitacji dobrze tłumaczy krzywe rotacji galaktyk i nie wymaga wprowadzania ciemnej materii. Relatywistycznym uogólnieniem MOND jest grawitacja tensorowo wektorowo skalarna (TeVeS, Tensor-vector-scalar gravity).
Inaczej zjawisko wzrostu siły przyciągania materii próbowała wyjaśniać teoria plazmowej kosmologii. Przyjmuje się w niej, iż ośrodek międzygwiezdny i międzygalaktyczny to rozrzedzona plazma, której przepływy generują oddziaływanie elektromagnetyczne mające stanowić tę dodatkową siłę.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
Przypisy
- ↑ Govert Schilling, Ciemne sprawki, w:
Świat Nauki
nr 1 (197) styczeń 2008, s. 12-13.
- ↑ Kim Griest:
The Nature of the Dark Matter
. 1995-10-18. [dostęp 2006-11-07].
- ↑
Douglas Clowe, Marusa Bradac at al, A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter, Astrophysics, Letters in press
- ↑
Kelen Tuttle, Dark Matter Observed, SLAC Today, August 22, 2006
- ↑ Michał Różyczka Zderzenie, które wszystko wyjaśnia
Świat Nauki
nr 10 (182) październik
2006