Ciemna materia to niespecjalnie ekscytujący temat. Może i jej tożsamość nadal pozostaje zagadką, czymkolwiek jednak ona by była, jedno nie ulega wątpliwości - to z pewnością okropnie niewdzięczny obiekt do badania. Materia ta nie świeci, niczego nie zasłania i nie jest powiązana z gwiazdami. Bierze udział jedynie w oddziaływaniu grawitacyjnym, można to jednakże zaobserwować tylko w skalach kosmicznych. Tak w każdym razie uważali do niedawna naukowcy. Ostatnie kilka miesięcy zeszło im jednak na zmaganiach z dość radykalną koncepcją: być może ciemna materia ma "bogatsze życie wewnętrzne", niż się wydaje.

Rozkład ciemnej materii można wyznaczyć na podstawie zniekształcenia obrazów niektórych ze 170 tyś. galaktyk (Jasne owalne obiekty).


     Odkąd astronomowie po raz pierwszy wysunęli przypuszczenie, że ciemna materia istnieje, a było to prawie 70 lat temu, nie ustawali w próbach udowodnienia tego faktu. Dziś prosty obraz galaktyk będących skupiskiem gwiazd należy do przeszłości. W rzeczywistości galaktyki są ogromnymi kulami ciemnej materii upstrzonymi gwiazdami.

     Czym więc są niewidoczne ciała niebieskie? Jedna za drugą wszystkie hipotezy upadały. Naukowcy uczestniczący w dwóch najważniejszych eksperymentach badawczych - przeglądzie nieba MACHO (zakończonym w styczniu br. po siedmiu latach obserwacji) i w trwającym obecnie przeglądzie EROS - nie znaleźli wystarczająco dużej liczby obiektów mniejszych niż gwiazdy, takich jak planety lub brązowe karły. Inni zarejestrowali wprawdzie blade światło białych karłów, ale wiadomo, że nie może ich być zbyt wiele - w przeciwnym razie w przestrzeni międzygwiezdnej pełno byłoby produktów towarzyszących ich narodzeniu. W pracy opublikowanej na początku tego roku Katherine Freese z University of Michigan nieomal dała za wygraną, wyrażając przekonanie, że: "Większość ciemnej materii w galaktycznym halo nie może być złożona z barionów."*

     Innymi słowy, ciemna materia musi zawierać zupełnie nowy rodzaj cząstek elementarnych. Dla fizyków najistotniejsza byłaby bezpośrednia obserwacja -nowe odkrycia zakwestionowały istnienie tzw. WIMP-ów, czyli słabo oddziaływujących masywnych cząstek (we-akly interacting massive particles) - astronomowie uważają, że cząstki te muszą być "zimne", a więc bardzo powolne. Tylko bowiem powoli poruszające się cząstki mogłyby tworzyć masywne skupiska w galaktykach. "Gorące" cząstki, takie jak neutrina, bardzo szybko rozbiegłyby się poza galaktyki. Nie tak dawno temu w teorii ciemnej materii dopatrywano się mankamentów: teoretycy sądzili, że materia ta zbyt szybko tworzyłaby gęste skupiska. Ale dwa lata temu problem ten zniknął, astronomowie odkryli bowiem, że ekspansja kosmiczna jest coraz szybsza, a materia bardziej rozrzedzona niż się spodziewano. Efekt ten równoważy tendencję do tworzenia skupisk. Kolejny dowód pojawił się w lutym br., kiedy kilka grup astronomów przedstawiło największą mapę rozkładu materii we Wszechświecie. Gromady galaktyk są rozłożone w przestrzeni dokładnie tak, jak to przewiduje teoria zimnej ciemnej materii.

     Jak na ironię, gdy tylko astronomowie potwierdzili przewidywania teorii w wielkich skalach, zaczęli wątpić w jej prawdziwość w skalach mniejszych. Znów wydaje im się podejrzana wyjątkowa łatwość, z jaką ciemna materia tworzyłaby gęste skupiska. Z nowych, bardzo szczegółowych map pewnych typów galaktyk wynika, że jądra tych galaktyk są mniej gęste niż oczekiwano. W skalach nieco większych to odstępstwo jawi się jako niedobór małych galaktyk.
"Klasyczny obraz ciemnej materii może być niespójny" - mówi Paul J. Steinhardt z Princeton University. Tę opinię nie wszyscy jednak podzielają. Problemy dotyczą bowiem jedynie stosunkowo małych skal, astronomowie mają więc nadzieję, że są one odbiciem bardzo szczegółowych własności ciemnej materii.

     Niektórzy, m.in. Craig J. Hogan i Juliannę J. Dalcan-ton z University of Washington oraz Jesper Sommer-Lar-sen i Alexandre Dolgov z Uniwersytetu Kopenhaskiego, znaleźli złoty środek. Być może ciemna materia nie jest ani gorąca, ani zimna, ale ciepła. W każdym razie na tyle lotna, by nie gromadzić się w tak małych strukturach, jak jądra galaktyk, a jednocześnie tak chłodna, że brak jej energii na ucieczkę z galaktyki. Sceptycy przekonują, że model ciepłej ciemnej materii można dopasować albo do galaktycznego profilu gęstości, albo do deficytu małych galaktyk, ale nie da się spełnić obu tych warunków jednocześnie.

     Wszystkie te hipotezy zakładają, że cząstki są ze sobą powiązane jedynie dwoma najsłabszymi rodzajami oddziaływań znanymi w przyrodzie: grawitacyjnymi i słabymi siłami jądrowymi. Jak wyglądałaby jednak sytuacja, gdyby przyjąć, że oddziaływania cząstek są bardziej złożone? Wyobraźmy sobie, że dzięki siłom międzycząstkowym mielibyśmy do czynienia z czymś w rodzaju rozrzedzonego gazu, który przeciwstawiałby się grawitacji. W wewnętrznych rejonach galaktyk częste zderzenia cząstek w gazie nie pozwalałyby na zbytnie zagęszczenia, dalej od centrum galaktyki zaś gaz byłby na tyle rozrzedzony, że zderzenia cząstek zachodziłyby bardzo rzadko, co w efekcie dawałoby własności zwykłej, zimnej ciemnej materii. Podobnie jak koncepcja ciepłej ciemnej materii pomysł ten pojawił się już 10 lat temu. Steinhardt wraz z Davidem N. Spergelem, tym razem przy współpracy innych naukowców, opracowali go gruntownie od nowa. Jeśli ich teoria jest słuszna, to ciemna materia jest o wiele bardziej dynamiczna niż dotychczas sądzono. Małe jej otoczki wyparowują, jeśli znajdą się w pobliżu bardzo masywnych obiektów. Poza tym wówczas czarne dziury efektywniej wychwytują materię. Mogłoby to wyjaśnić fakt, że czarne dziury są tak masywne. Niektórzy są jednak przekonani, że w modelu tym jądra galaktyk powoli traciłyby energię i w końcu zapadałyby się do jeszcze bardziej zwartych obiektów, stwarzając te same trudności co klasyczna teoria zimnej ciemnej materii. Ponadto galaktyczne otoczki zbudowane z oddziałującej zimnej materii miałyby kształt niemal dokładnie kulisty, co jest sprzeczne z niektórymi obserwacjami. Steinhardt i Spergel twierdzą, że teoria jest poprawna, jeśli cząstki mają tę samą masę i oddziaływania co neutron - byłby to wyjątkowy zbieg okoliczności, który w przypadku potwierdzenia stanowiłby ogromny przełom w teorii ciemnej materii. Być może okaże się, że ciemna materia, o której wiemy, stanowi, niczym platoński cień na ścianie, jedynie oznakę istnienia innego, równie pełnego dynamiki świata, niepostrzeżenie przeplecionego z naszy.

---

* Ostatnio stwierdzono (Astrophysical Journal Let-tcrs z l maja br.), że międzygalaktyczne obłoki wodoru mogą zawierać istotną cześć materii bariono-wej. Manko w bilansie oddziałującej grawitacyjnie i widzianej materii pozostaje nadal bardzo duże -przyp. tłum.

Powrót do spisu