– Odkrycie prawdziwej natury ciemnej materii, która manifestuje się jedynie poprzez grawitację, to jedno z głównych wyzwań w fizyce – napisała grupa naukowców na początku swojego artykułu w czasopiśmie „Nature Astronomy”.
W pracy tej badacze wykazują, że być może znaleźli klucz do sekretu ciemnej materii. Byłoby nim badanie pierścieni Einsteina. Pierścienie Einsteina powstają, gdy światło jednej galaktyki zostaje zakrzywione przez inną, znajdującą się dokładnie między nią a obserwatorem.
Nieuchwytna ciemna materia
Czym jest ciemna materia? Naukowcy łamią sobie nad tym głowę od lat. Pytanie jest o tyle trudne, że ciemna materia stanowi większość kosmosu. To ona odpowiada aż za 85 proc. masy całego Wszechświata. Jednak nie reaguje ze światłem: nie emituje go ani nie odbija. O jej istnieniu wiemy tylko dzięki temu, że oddziałuje grawitacyjnie ze „zwykłą” materią.
Naukowcy podejrzewają, że ciemnej materii jest bardzo dużo wokół odległych galaktyk. To ona miałaby stanowić większość ich halo. Ponieważ jednak nie emituje promieniowania elektromagnetycznego, wykrycie jej bezpośrednio na razie okazało się niemożliwe.
To samo dotyczy zarejestrowania ciemnej materii w laboratorium. Żadna z prób udowodnienia istnienia ciemnej materii z pomocą eksperymentów przeprowadzanych na Ziemi jeszcze się nie powiodła.
Dwóch kandydatów na ciemną materię
Pytani o ciemną materię, badacze wskazują na dwa hipotetyczne rodzaje cząstek, z których mogłaby się składać. Pierwsze to tzw. WIMP-y, czyli słabo oddziałujące masywne cząstki (ang. weakly interacting massive particles). Drugie to tzw. aksjony, ultralekkie cząstki, których istnienie zaproponowano w latach 70. poprzedniego wieku.
– Według teorii WIMP-y powinny zachowywać się bardziej jak cząstki dyskretne. Natomiast aksjony bardziej jak fale – napisała Rossana Ruggeri z Uniwersytetu Queensland na łamach portalu „The Conversation”.
Która z tych hipotez jest prawdziwa? Badania zespołu Alfred Amrutha z Uniwersytetu Hong Kongu opisane w „Nature Astronomy” sugerują, że druga.
Pierścienie Einsteina
Z teorii względności Einsteina wynika, że wokół masywnych obiektów – np. galaktyk – czasoprzestrzeń jest silnie zakrzywiona. Kiedy światło podróżujące przez galaktykę natrafi na taki obszar kosmosu, ugina się. To zaś oznacza, że obserwując dalekie galaktyki, możemy wykryć światło jeszcze odleglejszych obiektów znajdujących się za nimi.
Gdy dwie galaktyki ustawią się idealnie w linii prostej względem obserwatora, wokół tej bliższej powstanie świetlny pierścień. To właśnie jest pierścień Einsteina – światło odległej galaktyki zakrzywione przez grawitację bliższej.
Alfred Amruth wraz z zespołem przyjrzał się światłu zakrzywianemu przez galaktykę HS 0810+2554. Następnie badacze opracowali dwa modele zakrzywionego światła. Pierwszy, gdyby czarna materia w HS 0810+2554 składała się z WIMP-ów. A drugi – gdyby była zbudowana z aksjonów.
Okazało się, że model z aksjonami bardziej przypominał to, jak HS 0810+2554 wyglądała w rzeczywistości.
– Ten wynik sugeruje, że aksjony są bardziej prawdopodobnymi kandydatami na ciemną materię – uważa Rossana Ruggeri. Pisze też, że naukowcy są podekscytowani tym, iż aksjony mogą stanowić wyjaśnienie anomalii soczewkowania grawitacyjnego i innych zagadkowych obserwacji astrofizycznych.
Czy Einstein przewidział istnienie pierścieni?
Tego, że światło może zakrzywiać się w polu grawitacyjnym, Albert Einstein domyślił się już w 1912 roku. Dwanaście lat później, w 1924 r., rosyjski fizyk Oriest Chwolson opisał szczególny przypadek, gdy źródło światła, obiekt działający jak soczewka grawitacyjna i obserwator będą znajdować się niemal w jednej linii. Chwolson przewidział, że doprowadzi do powstania świetlnego „efektu halo”.
Była to jednak tylko teoria. „Nie ma nadziei na zaobserwowanie tego fenomenu bezpośrednio” – pisał Einstein w 1936 r. Rozważał bowiem światło gwiazdy, które byłby trudne do uchwycenia. I chociaż się pomylił, to zaobserwowanie pierścienia faktycznie okazało się wyjątkowo trudne. Pierwszy kompletny pierścień Einsteina został odkryty dopiero w 1998 r. z pomocą Teleskopu Hubble’a.
Źródła: The Conversation, Nature Astronomy.
