Obiekty

Ciemna materia

Astronomowie otrzymują zaskakujący wynik: gęstość Wszechświata widocznego stanowi zaledwie
kilka procent gęstości krytycznej, czyli koniecznej do tego aby Wszechświat mógł się kurczyć.
Wynika stąd, że Wszechświat powinien się coraz szybciej rozszerzać.
Jest kilka przyczyn, dla których wynik ten
przyjęto z niedowierzaniem. Już od pewnego
czasu wiadomo było, że oceny mas galaktyk z
prostego dodawania mas obserwowanych
gwiazd nie są wiarygodne. Pomiar szybkości
obrotu

galaktyk

sugerował,

że

oprócz

obserwowanych gwiazd jest w nich jakaś inna
materia, która wpływa na ruch. Nazwano ją ciemną materią dla odróżnienia od świecących
gwiazd. Próby ustalenia, czym jest ciemna materia i jaki jest jej udział w masie Wszechświata,
doprowadziły do wielu odkryć, ale do dziś nie daty ostatecznych wyników.
Ciemną materię poszukuje się w dwóch kierunkach. Pierwsza koncepcja to, że jest to zwykła
materia barionowa (złożona z

barionów

: protonów i neutronów), uwięziona w ciałach, w których

albo procesy termojądrowe nigdy się nie rozpoczęły (grupa I), albo już wygasły (grupa II) - takie
obiekty nazywamy MACHO. Druga możliwość to nieznane cząstki elementarne zwane WIMP-
ami.

Ciała materialne - MACHO

Do pierwszej grupy ciał materialnych zalicza się:

br

ą

zowe karły

- obiekty protogwiazdowe, których masa nie

przekroczyła 8% masy Słońca czego efektem było zbyt słabe
rozgrzanie ciała i w których nigdy nie doszło do rozpalenia
reakcji termojądrowych;

komety;

planetoidy;

pył międzygwiazdowy i międzygalaktyczny

Zwykły pył kosmiczny odpada, ponieważ przy dużych jego
ilościach pochłaniałby światło z odległych gwiazd i galaktyk w
znacznie większym stopniu, niż to obserwujemy. Planetoidy i
komety małą masę i nie mogą brać dużego udziału w bilansie
materii, natomiast brązowe karły byłyby dobrym kandydatem,
jednak oprócz kilku ciał odkrytych w ostatnich latach nie ma
szacunków o rzeczywistej ich ilości w Kosmosie.
W drugiej grupie wymieniane są ciała będące końcowymi
etapami ewolucji gwiazd:

gwiazdy neutronowe

czarne dziury

białe karły

i

czarne karły

Są to ciała bardzo masywne, określane mianem MACHO
(od ang. Massive Compact Halo Objects), czyli masywne
zwarte obiekty z halo wykrywane w obserwacjach na
podstawie

ich

oddziaływania

z

czasoprzestrzenią

(mikrosoczewkowanie grawitacyjne). Jest to gra słów,
bowiem macho oznacza silnego faceta. Jednak założenie
dużego udziału tych ciał w budowie Wszechświata
implikowałoby zmianę poglądów na szybkość starzenia
się gwiazd i co za tym idzie na wiek Wszechświata.
Polski

astrofizyk

Bohdan

Paczyński

zaproponował

metodę, dzięki której można rejestrować takie obiekty:
wykorzystanie tzw. mikrosoczewkowania grawitacyjnego.
W efekcie tym, przewidzianym już przez Einsteina,
światło odległej gwiazdy lub galaktyki odchyla się w polu
grawitacyjnym ciemnego obiektu. Jeśli więc obiekt

znajdzie się między nami i źródłem światła, zamiast zasłonięcia stwierdzimy rozjaśnienie,

Zasada mikrosoczewkowania grawitacyjnego

Komputerowa

rekonstrukcja

przekroju

gęstości powierzchniowej ciemnej materii
uzyskanej metodą mikrosoczewkowania
grawitacyjnego

w

gromadzie

CL0024+1654. Rekonstrukcja wykazała, że
ciemna

materia

znajdująca

się

w

gromadzie

przewyższa

swą

masę

wszystkich gwiazd w niej zawartych aż 250
razy.

Krzywa obrazująca pojaśnienie gwiazdy BW7 I

117281 dzięki zjawisku soczewkowania

grawitacyjnego.

Page 1 of 3

Ciemna materia i ciemna energia - co to jest?

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/astronomia/astronomia_oa1.html

podobnie jak po przejściu przez soczewkę światło trafi do nas ze znacznie szerszego stożka, niż
przy bezpośredniej obserwacji. Metoda Paczyńskiego doprowadziła istotnie do wykrycia wielu
ciemnych obiektów w naszej Galaktyce. Jest ich jednak za mało nawet do wytłumaczenia
zaburzeń obrotu. Musza więc istnieć jeszcze inne rodzaje ciemnej materii. Metodę
mikrosoczewkowani polscy astronomowie stosują do znajdowania

planet pozasłonecznych

.

Słabo oddziaływuj

ą

ce masywne cz

ą

stki WIMP-y

Jeśli nie MACHO, to może słabo oddziałujące masywne cząstki w skrócie WIMP-y (od ang. Weakly
Interacting Massive Particles) są składnikami ciemnej materii. Jest to znów gra słów, bowiem po
angielsku wimp znaczy mięczak lub słabeusz. Są to nieznane jeszcze cząstki elementarne nie
wchodzące w skład normalnych atomów. Każda galaktyka zanurzona byłaby w wielkim obłoku
takich cząstek. Być może też WIMP-y zbudowały obok nas cały alternatywny Świat z własnymi
planetami i gwiazdami? Niewiele o nich wiadomo, poza tym, że jak wskazuje ich nawa, słabo
oddziaływają ze znaną materią. To zresztą jest oczywiste, bo gdyby silnie oddziaływały, to już
dawno by je odkryto.
Niedawno wydawało się, że to neutrina są właśnie poszukiwaną ciemną materią. Są to bardzo
słabo oddziaływujące cząstki i w każdej sekundzie każdy centymetr kwadratowy naszego ciała
przeszywają bez śladu ich miliony, co więcej przechodzą bez przeszkód całą kulę ziemską. Ale w
ostatnich latach zmierzono ich masę i okazało się, że ważą setki tysięcy razy mniej niż elektrony
(najlżejsze ze znanych cząstek) oraz są zbyt szybkie. Stwierdzono, że ciemna materia ma
tendencję do skupiania się jak materia zwykła. Tymczasem neutrina są zbyt "gorące", czyli
przemierzają przestrzeń kosmiczną z prędkością podświetlną i w żaden sposób nie można ich
zmusić do zgromadzenia się razem w jednym miejscu. Skupiska mogą tworzyć jedynie cząstki
powolne i ciężkie, czyli "zimne".
Większe nadzieje można wiązać z dwoma typami cząstek postulowanych przez

teori

ę

supersymetrii

lub

superstrun

, których dotąd nie odkryto: tzw. partnerami supersymetrycznymi znanych cząstek

oraz tzw. cząstkami zwierciadlanego świata. Te ostatnie miałyby oddziaływać ze zwykłą materią
tylko grawitacyjnie, byłyby więc naprawdę doskonale ciemną materią.

Ciemna energia

Gdy wyznaczono ilości poszczególnych form
materii

występujących

w

galaktykach

i

gromadach galaktyk za pomocą różnych technik
obserwacyjnych w zakresie optycznym, radiowym
i rentgenowskim, to stwierdzono, że łączna
gęstość pierwiastków chemicznych i ciemnej
materii stanowi zaledwie około jednej czwartej
wartości

postulowanej

przez

większość

teoretyków (tzw. gęstości krytycznej). Wielu
kosmologów potraktowało to jako oznakę, że
wbrew przewidywaniom teoretyków, żyjemy w
rozszerzającym

się

w

nieskończoność

Wszechświecie o krzywiźnie hiperbolicznej niczym
wylot trąbki. Interpretacji tej przeczyły jednak
pomiary rozkładu gorących i zimnych obszarów
mikrofalowego promieniowania tła, wykazujące,
że przestrzeń jest płaska i całkowita gęstość energii równa gęstości krytycznej. Jeśli uwzględnimy
obie te obserwacje, z prostego rachunku wynika konieczność wprowadzenia dodatkowej energii,
której wkład wyrównałby brakujące trzy czwarte całkowitej gęstości energii. Potwierdziły to
ostatnie wyniki uzyskane z

sondy WMAP

.

Składowa ta nie może pochłaniać ani emitować światła,
gdyż w przeciwnym wypadku zostałaby już dawno
wykryta. Pod tym względem ten nowy rodzaj energii,
zwany ciemną energią, przypomina ciemną materię.
Różni się jednak od niej jednak istotnie. Jego
oddziaływanie grawitacyjne musi mieć charakter
odpychający, gdyż inaczej, wciągnięty w obręb
galaktyk i gromad galaktyk, wpływałby dynamicznie na

Składniki Wszechświata według ostatnich badań

Page 2 of 3

Ciemna materia i ciemna energia - co to jest?

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/astronomia/astronomia_oa1.html

widoczną materię. śadnego takiego wpływu jednak nie
zaobserwowaliśmy. Ponadto grawitacja odpychająca
rozwiązuje problem przyspieszonej ucieczki galaktyk.
Wszystkie

obecne

pomiary

stwierdzają,

że

z

niewiadomego powodu Wszechświat się rozszerza

coraz szybciej. Z pomiarów obecnego tempa ekspansji, przy założeniu, że ulega ona
spowolnieniu, wynikałoby, że wiek Wszechświata wynosi mniej niż 13,7 mld lat. Tymczasem
obserwacje świadczą o tym, że niektóre gwiazdy w naszej galaktyce liczą 14 mld lat.
Przyspieszające tempo ekspansji Wszechświata, pozwala pogodzić obliczony wiek Wszechświata z
obserwowanym wiekiem ciał niebieskich.
W 1998 roku dwie niezależne grupy badaczy wykorzystując pomiary odległych

supernowych

,

wykryły, że tempo ekspansji Wszechświata ulega przyśpieszeniu i to dokładnie tak, jak
przewidywano. Nowe badania przeprowadzone w 2003 roku promieniowania dochodzącego z
obszarów na niebie, gdzie jest większe zagęszczenie galaktyk dowodzą, że dobiega nas
promieniowanie bardziej energetyczne (o częstotliwości przesuniętej w kierunku niebieskiego
widma), co interpretowane jest jako przejaw działania ciemnej energii.
Jakie jest pochodzenie i natura tej tajemniczej energii na razie nie wiemy. Dziś rozważa się dwie
hipotezy. W jednej rozważana jest energia próżni, w innej nieznane pole sił (pole kwantowe
zwane kwintesencją).
Zagadkowe przyspieszenie rozszerzania się Wszechświata próbuje się również wytłumaczyć

innym

prawem grawitacji

, bez potrzeby wprowadzania pojęcia "ciemna energia". Czy istnieje ciemna

energia i jaka jest jej natura możemy się dowiedzieć obserwując wybuchy bardzo dalekich

supernowych

. Należy więc niecierpliwie czekać na nowe wyniki obserwacji.

Obiekty

Obserwowany w kwietniu 2001 roku przez kosmiczny
teleskop Hubble'a wybuch supernowej odległej o 10
mld lat świetlnych. To obserwacja dalekich obiektów
dowodzi,

że

rozszerzanie

Wszechświata

ulega

przyspieszeniu.

Page 3 of 3

Ciemna materia i ciemna energia - co to jest?

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/astronomia/astronomia_oa1.html