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

Gromada galaktyk Abell 520 kolor niebieski - ciemna materia, kolor różowy - gorący gaz^[1]

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

Mozaika zdjęć gromady galaktyk CL0024+17 zrobionych przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a , pokazująca soczewkowanie grawitacyjne pierścienia ciemnej materii.

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

• ciemna energia
• OGLE
• soczewkowanie grawitacyjne
• dark radiation - hipotetyczna forma promieniowania emitowanego przez ciemną materię
• MACS J0025.4-1222
• Fritz Zwicky
• Vera Rubin

Linki zewnętrzne

• Teleskop Hubble'a znalazł pierścień ciemnej materii

Przypisy