Polscy naukowcy obalili sensacyjną hipotezę. Pomogły obserwacje 80 mln gwiazd

Spis treści:

1. Skąd wiadomo, że istnieje ciemna materia?
2. Co to są pierwotne czarne dziury?
3. Czy ciemna materia może składać się z pierwotnych czarnych dziur?
4. Co to jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne?
5. Badania, które obaliły ważną hipotezę

Czym jest ciemna materia? Naukowcy zadają sobie to pytanie od prawie stu lat. Materia barionowa – czyli „zwykła” materia składająca się z atomów, którą widzimy wokół siebie i z której sami jesteśmy zbudowani – stanowi zaledwie 5% całkowitej masy i energii we Wszechświecie. Żeby wyjaśnić pozostałe 95%, posługujemy się takimi terminami jak ciemna materia i ciemna energia.

Ciemna materia to jest materia, która oddziałuje tylko za pośrednictwem grawitacji. Nie emituje żadnego promieniowania, a więc również światła. Na jej istnienie wskazuje np. ruch gwiazd w galaktykach. Czym dalej od centrum, tym gwiazdy powinny poruszać się wolniej (tak jak planety w Drodze Mlecznej). Tam się jednak nie dzieje.

Skąd wiadomo, że istnieje ciemna materia?

– Merkury, który jest najbliższą Słońcu planetą, porusza się dosyć szybko, ze średnią prędkością około 50 km na sekundę wokół Słońca – opowiada dr Mróz. – Neptun, który jest najdalszą planetą, porusza się wolniej, bo działa na niego mniejsza siła grawitacji, z prędkością mniej więcej 5 km na sekundę. Czyli generalnie spodziewamy się, że im dalej jesteśmy od ciała, które nas przyciąga, tym powinniśmy się poruszać z mniejszą prędkością – wyjaśnia naukowiec.

W galaktykach ta zasada jest złamana. Prędkości gwiazd w centrum są takie same jak tych bardziej oddalonych od środka. To jeden z dowodów wskazujących na istnienie jakieś istnienie dodatkowego, nieznanego źródła siły grawitacji. – Tak naprawdę zauważyliśmy, że nasze równania grawitacji nie są prawidłowe. Żeby uzyskać zgodność pomiędzy obserwacjami a teorią, postulujemy istnienie ciemnej materii jako niewidzialnego składnika naszego Wszechświata – mówi naukowiec.

Co to są pierwotne czarne dziury?

W latach 70. Steven Hawking, znany brytyjski fizyk teoretyk, postulował, że w bardzo młodym Wszechświecie, kiedy jeszcze nie istniały żadne gwiazdy ani nawet atomy, materia miała formę zupy cząstek elementarnych. Mogła wówczas zapaść się pod wpływem grawitacji, tworząc czarną dziurę. To są tak zwane pierwotne czarne dziury – takie, które powstały na samym początku istnienia Wszechświata wskutek zapadania się zgęstek materii pod ich własnym ciężarem.

– Pierwotne czarne dziury to są obiekty hipotetyczne: nikt ich nie zaobserwował i nie potwierdził ich istnienia – opowiada dr Mróz. – W zasadzie nie ma żadnych ograniczeń na ich masy. To oznacza, że te obiekty mogą być bardzo małe, o masach planet, albo gigantyczne, o masach dziesiątek, setek czy nawet tysięcy mas Słońca.

Czy ciemna materia może składać się z pierwotnych czarnych dziur?

A może to właśnie pierwotne czarne dziury stanowią ciemną materię? Taka hipoteza zrobiła się popularna w ostatnich latach. Dlaczego? – Mamy jeden rodzaj kosmicznych obiektów, który mógłby być wyjaśnieniem dwóch wielkich zagadek współczesnej astronomii. To ciemna materia oraz fale grawitacyjne odkrywane w ostatnich latach w detektorach takich jak LIGO i VIRGO – wyjaśnia dr Mróz. Od kiery po raz pierwszy zarejestrowano fale grawitacyjne – w 2015 r. – tych detekcji zanotowano już kilkaset.

Dlatego właśnie wielu astronomów i fizyków zaczęło rozważać możliwość, że to pierwotne czarne dziury są źródłem dodatkowej siły grawitacji w galaktykach. Teoria ta została jednak właśnie obalona przez Polaków, a pomogły w tym okrycia samego Alberta Einsteina.

Co to jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne?

– Istnieje zjawisko przewidziane jeszcze przez Alberta Einsteina i jego teorię względności, które mówi nam, w jaki sposób można wykryć ciemne nieświecące obiekty. To jest tak zwane zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego – opowiada dr Mróz.

Idea soczewkowania grawitacyjnego polega na tym, że promienie światła mogą być ugięte w pobliżu masywnych obiektów takich jak gwiazdy czy czarne dziury. Jeżeli zdarzy się, że pomiędzy nami na Ziemi a odległym źródłem światła pojawi się trzeci obiekt, tak zwana soczewka, to jej grawitacja zadziała na promienie świetlne dochodzące ze źródła. Zostaną one wzmocnione i skupione. Można to wykryć, prowadząc obserwacje astronomiczne.

Badania, które obaliły ważną hipotezę

– Jeżeli prawdziwa byłaby hipoteza, że ciemna materia składa się z czarnych dziur, to tych czarnych dziur musiałoby być bardzo dużo w Drodze Mlecznej – opowiada dr Mróz. – A więc musielibyśmy obserwować bardzo dużo zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego spowodowanych przez te obiekty. To była zasadnicza idea naszej pracy, którą opublikowaliśmy kilka miesięcy temu.

Polacy obserwowali dwie galaktyki, Wielki i Mały Obłok Magellan. Są one widoczne tylko z półkuli południowej. – Obserwowaliśmy ponad 80 milionów gwiazd znajdujących się w tych dwóch galaktykach przez ponad 20 lat. Sprawdziliśmy, czy obserwujemy zjawiska tymczasowego pojaśnienia wywołane obecnością potencjalnych czarnych dziur w ciemnej materii – mówi naukowiec.

Co wykazały badania Polaków? – Gdyby cała ciemna materia składała się z czarnych dziur o masach 10-100 mas Słońca, spodziewalibyśmy się kilkaset zjawisk mikrosoczewkowania. Obserwacje wskazały jednak, że tych zjawisk jest znacznie mniej. Wykryliśmy tylko 13 zjawisk, dokładnie tyle, ile spodziewamy się od gwiazd w galaktyce naszej i sąsiednich – mówi dr Mróz.

A to wskazuje, że ciemna materia nie może składać się z czarnych dziur o masach mniej więcej od masy Księżyca do kilku tysięcy mas Słońca.

Całą rozmowę można wysłuchać w playerze na górze strony. Odcinki naszych wideopodcastów są również dostępne na kanałach National Geographic Polska na YouTube i na Spotify.

Źródło: National Geographic Polska

Nasza autorka

Magdalena Salik

Dziennikarka i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com