Ciemna materia i ciemna energia

Andrzej Oleś

Wstęp

Dlaczego ma istnieć ciemna materia

Idea pomiaru

MOND – Modified Newtonian Dynamics ?

Ciemna energia i przyszłość Wszechświata ?





Wstęp
Obecnie przypuszcza się, że Wszechświat zbudowany jest z następujących cząstek:

Rodzaj materii Typowe cząstki Liczba cząstek Wkład do masy Dowody istnienia
Wszechświata
( około )
Zwykła-barionowa protony 10

78

5% Bezpośrednie

elektrony obserwacje

Promieniowanie fotony 10

87

0.005% Obserwacje

Gorąca c. materia neutrina 10

87

0.3% Detekcja neutrin

Zimna c. materia cząstki 10

77

25% Wnioskowanie

supersymetryczne? z dynamiki galaktyk

Ciemna energia cząstki skalarne 10

118

70% Wnioskowanie z

ekspansji Wszechświata



Dlaczego ma istnieć ciemna materia ?

Ciemnej materii nie umiemy obserwować bezpośrednio. Argumentu za istnieniem tego
składnika Wszechświata dostarczają obserwacje orbitalnych prędkości gwiazd w dyskach
galaktyk. Prędkości te uzyskujemy z obserwacji przesunięcia dopplerowskiego w widmie
promieniowania emitowanego przez gwiazdę. Wyliczana siła dośrodkowa, która utrzymuje
gwiazdy na orbitach jest wielokrotnie większa od grawitacji wszystkich świecących
składników galaktyki. Podobnie sprawa wygląda, gdy przechodzimy do obserwacji w
większej skali w gromadach galaktyk.

Rys.1. Wyliczona zależność prędkości gwiazdy od odległości od centrum galaktyki ( disk ).
Punkty pomiarowe świadczą o stałej prędkości dla różnych odległości, co narzuca obecność
ciemnej materii w postaci halo.


Rysunek 1 przedstawia wyliczoną zależność prędkości gwiazdy od jej odległości od centrum
galaktyki .( krzywa z maksimum ). W tym przypadku uwzględniono grawitację jedynie
świecącej materii. Kwadraciki odtwarzają wyniki konkretnych pomiarów. Jak widać
konieczna jest jeszcze duża niewidoczna masa stanowiąca halo galaktyki. Tak więc ciemna
materia otacza znaną nam świecącą materię.

Rys.2. Soczewka grawitacyjna z uwzględnieniem halo ciemnej materii.


Z kolei rys. 2 ilustruje działanie soczewki grawitacyjnej. Promieniowanie biegnące od bardzo
odległego kwazara doznaje ugięcia w polu grawitacyjnym galaktyki. Silny efekt wymaga
obecności wielkich mas zawartych w nie świecącym halo galaktyki.
Jednym z argumentów przemawiającym za istnieniem ciemnej materii jest zbyt krótki
czas, poczynając od Wielkiego Wybuchu ( 13,7 mld lat ), aby wytworzyły się galaktyki.
Przyjęcie obecności ogromnej masy ciemnej materii usuwa trudności. Obserwacje
kosmologiczne , w połączeniu z dobrze znanym prawem grawitacji narzucają konieczność
przyjęcia istnienia ciemnej materii. Co więcej, przeprowadzone szacunki sugerują, że jest jej
znacznie więcej ( 25% ) od zwykłej materii barionowej ( 5% ).
Teoretyczny model tzw. supersymetrii przyjmuje możliwość istnienia ciemnych cząstek
( tzw. neutralin ) o bardzo wielkiej masie, które mogą niezwykle słabo oddziaływać z
barionami ( tzn. ze znaną nam postacią materii ). Pojawia się możliwość badania
bezpośrednio na ziemi tajemniczej ciemnej materii.

Idea pomiaru

Nasz układ słoneczny obiega centrum galaktyki z prędkością 220 km/s. Gaz ciemnej
materii owiewa nas zatem z ogromną prędkością. Wobec ruchu Ziemi wokół Słońca należy
do wymienionej prędkości dodać w lecie 15 km/s a w zimie tę wartość odjąć. Jest to rezultat
czysto geometrycznych rozważań. Tak więc idea pomiaru polega na wykryciu powyższych
oscylacji.
Cała trudność sprowadza się do znalezienia detektora, który umożliwi rejestrację
niezwykle rzadkich przypadków oddziaływania neutalina z jądrem atomowym. Gdy taki

rzadki przypadek zachodzi, w wyniku zderzenia cząstki z jądrem atomowym, to ostatnie
doznaje odrzutu i uderza w sąsiednie atomy wyzwalając energię w formie ciepła lub światła.
Cały problem polega na odróżnieniu tej energii od energii wydzielanej w innych
pasożytniczych procesach np. rozpadzie promieniotwórczym ( świat zaśmiecony izotopami
radioaktywnymi ). Niewątpliwie pomiary muszą być dokonywane na dużych głębokościach
pod ziemią aby uchronić się przed promieniowaniem kosmicznym. W chwili obecnej
prowadzi się 11 tego typu pomiarów w dużych zespołach międzynarodowych. Wyróżnia się
głównie następujące detektory: kriogeniczne i jonizacyjno – scyntylacyjne.
Detektory kriogeniczne wykorzystują energię termiczną wydzielaną przy zderzeniu
neutralin z jądrami atomowymi. Stosuje się tu czysty Ge lub Si w temperaturze ~ 25 mK. Do
pomiaru wzrostu temperatury służą termistory. Ponadto korzysta się z nadprzewodnictwa i
przekroczenia temperatury krytycznej w chwili wydzielania ciepła.
W przypadku drugiego rodzaju detektorów korzystamy z tego, że w procesie zderzenia
neutralin z jądrami atomowymi mogą być wybijane elektrony z sąsiednich atomów i powstają
ekscymery. Po jakimś czasie jądra te wychwytują elektrony. co powoduje scyntylacje w
gazach szlachetnych. I tak np. w ciekłym ksenonie błysk jest bardzo silny. Celem
zabezpieczenia się przed tłem elektromagnetycznym korzysta się z detektorów nie tylko
scyntylacyjnych, ale scyntylacyjno –jonizacyjnych. Scyntylacje zachodzące np. w ciekłym
ksenonie rejestrowane są przez fotopowielacze. Natomiast w komorze zawierającej gazowy
ksenon ( w górnej części detektora ) dokonuje się ( w koincydencji ) rejestracji zachodzącej
jonizacji.
Jakie wyniki dotychczasowych badań ? W jednym przypadku współpracy grupy włosko -
chińskiej ( tzw. DAMA ) uzyskano w ciągu czterech lat pomiarów efekt oscylacji lato –
zima. Niemniej wyniki przyjmowane są z dużą rezerwą – powszechnie uważa się, że pojawiły
się tu pasożytnicze efekty.

Rys. 3. Przekrój czynny na oddziaływanie cząstki ciemnej materii z barionem w zależności
od jej masy. Wyrysowane krzywe określają granice czułości detektorów stosowanych przez
różne międzynarodowe grupy badawcze.


O stopniu trudności wymownie informuje rys. 3. Przedstawia on prawdopodobieństwo
oddziaływania neutrlina z jądrem atomowym w zależności od jego masy. Na rysunku
zaznaczono granice wykrywalności efektu przez detektory konstruowane przez różne zespoły
badawcze, W Wielkiej Brytanii projektowany detektor zawierający 10 ton Xe.

MOND – Modified Newtonian Dynamics

Astronomowie szacują ilość materii we Wszechświecie na dwa sposoby. Po pierwsze,
zliczają wszystko, co widać. Po drugie, wyznaczają jak szybko poruszają się widoczne ciała,
i na podstawie praw fizycznych wyliczają, jakiej masy potrzeba, aby wytworzyć grawitację
konieczną do ich powiązania.. Niestety obie metody dają odmienne wyniki. Na ogół
wyciągają z tego wniosek o istnieniu ciemnej materii.

Rys. 4. Proponowana w MOND modyfikacja II Zasady Newtona.


Pojawiła się idea ( M. Milgram ), że może problem tkwi nie w ilości materii a w prawach
fizyki. Autor zaproponował modyfikację drugiej zasady dynamiki Newtona ( rys. 4 ).
Modyfikacja ta , znana jako MOND, radzi sobie ze wspomnianymi danymi obserwacyjnym.
Napotyka jednak również na poważne trudności. Wymieńmy choć dwa zastrzeżenia :
- Jest to model fenomenologiczny – nie opiera się na zasadach fundamentalnych.
- Nie stosuje się w przypadku, gdy a < a

o

, ( a

o

= 1 A/s

2

) a jednak występują bardzo

wielkie prędkości..

Ciemna energia i przyszłość Wszechświata ?

W astronomii przyjmuje się jako tzw. „wzorcowe świece” supernowe typu 1a, których
jasność określa ich odległość. Są to wybuchy naturalnych bomb termojądrowych, które
pojawiają się, gdy gwiazdy wygasają. Supernowa osiąga maksymalną jasność po trzech
tygodniach a następnie rozpoczyna się trwający kilka miesięcy zanik jasności. Jaśniejsze
wybuchy trwają trochę dłużej niż słabsze. Ponadto przesunięcie dopplerowskie
rejestrowanego widma informuje o prędkości oddalania się. Z obserwacji odległych
wybuchających supernowych wynika, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Może to
oznaczać, że rozpycha go nieznana, egzotyczna forma energii. Już w 1998 r. zaczęto
podejrzewać, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Obserwując jeszcze dalsze
supernowe odkryto, że przed fazą przyspieszenia ekspansji Wszechświat przeszedł przez fazę
jej spowalniania – tak jak to przewidzieli kosmolodzy. Jak twierdzą kosmolodzy, dokładne

określenie momentu, w którym skończyło się zwalnianie, a zaczęło przyspieszanie, pozwoli
poznać naturę ciemnej energii oraz przyszłe losy Wszechświata.
Teoretycy twierdzą, ze tzw. pusta przestrzeń w rzeczywistości wypełniona jest cząstkami
elementarnymi, które pojawiają się i znikają zbyt szybko, aby można je było bezpośrednio
wykryć. Ich obecność jest efektem działania podstawowej zasady mechaniki kwantowej w
połączeniu ze szczególną teorią względności: nic nie jest dokładne, nawet nicość.
Sumaryczna energia związana z tymi „wirtualnymi” cząstkami wywierałaby, podobnie jak
inne formy energii, siłę grawitacyjną przyciągającą albo odpychająca – w zależności od praw
fizycznych, których jeszcze nie udało się nam zrozumieć. W skalach makroskopowych
energia ta działałaby jak stała kosmologiczna zaproponowana przez Alberta Einsteina.

Rys. 5. Krzywe określające przyszłe losy Wszechświata. Dla względnej gęstości materii Q
> 1 przewidywany kolaps; dla Q = 1 znany nam Wszechświat „płaski”; dla Q < 1 rosnący
Wszechświat; t

o

– chwila obecna. Górna krzywa przerywana uwzględnia wzrost ekspansji..

W tym miejscu należy nawiązać do modeli Friedmana ( rys. 5 ). Przyspieszenie ekspansji
wskazuje, że nie grozi nam ponownie kolaps Wszechświata do jednego punktu. Raczej należy
oczekiwać ciągłej, ekspansji, a w dalekiej przyszłości będą już zapewne tylko fotony.

tylko fotony.