Ciemni towarzysze, ciemna materia, ciemna energia – to, czego nie widać, jest dla astronomii ciekawsze niż to, co świeci.
Są stwierdzenia, które brzmią banalnie, ale i tak warto je wypowiedzieć, a jak już się je wypowie, to okazuje się, że wcale takie banalne nie są. Przykładem jest dość oczywista refleksja, że przez zdecydowanie większą część historii astronomii jedynym jej materiałem badawczym było promieniowanie elektromagnetyczne docierające z kosmosu na Ziemię. Ostatnie kilkadziesiąt lat nowych technologii i lotów kosmicznych to zaledwie drobny wycinek dziejów. Przez przytłaczającą większość czasu do tego sprowadzało się ludzkie badanie kosmosu: obserwowaliśmy przybywające z nieba światło widzialne (a w XX w. również fale radiowe oraz inne zakresy widma), starając się te obserwacje przeanalizować i zrozumieć.
Stąd już tylko kroczek do następnej quasi-banalnej obserwacji: astronomowie najbardziej lubią to, co świeci. Światło może być własne (gwiazdy, galaktyki, a z mniej oczywistych przykładów – meteory) albo odbite (planety, komety, księżyce), ale jakieś być musi, jeżeli chcemy dany obiekt obserwować bezpośrednio. To, co ciemne, to, co nie promieniuje w jakimś odbieranym przez nas zakresie widma elektromagnetycznego, można wykryć tylko pośrednio, co jest oczywiście znacznie trudniejsze. Tak było zawsze, tak jest i dzisiaj, mimo że żyjemy w pierwszej połowie XXI w., technika galopuje, a Galileusz ze swoją lunetą, nie mówiąc już o druidach ze Stonehenge, zostali dawno za nami.
Pamiętam, jaką wesołość wśród znajomych z kierunków nieścisłych wzbudzał tytuł mojej pracy magisterskiej z astronomii: „Poszukiwanie gwiazd zmiennych typu Algol oraz ciemnych towarzyszy w danych obserwacyjnych projektu OGLE”. Szczególnym powodzeniem cieszyła się oczywiście fraza „ciemni towarzysze”. Ciemny towarzysz gwiazdy to taki, który sam nie świeci albo świeci tak słabo, że jego światło ginie w blasku gwiazdy głównej. Może to być planeta, może to być mała gwiazda (np. brązowy karzeł), której światło jest o rzędy wielkości słabsze niż głównego składnika. Przykładów nie trzeba szukać na dalekich orbitach: dla obserwatora na Syriuszu albo Altairze Ziemia czy Jowisz są ciemnymi towarzyszami Słońca (czy jak tam się Słońce nazywa po syriuszańsku-altairańsku).
Wiemy, czym nie jest
Czy ciemni towarzysze to jest ta osławiona ciemna materia? Bynajmniej. Ciemna materia to ta, o której istnieniu wnioskujemy tylko pośrednio na podstawie oddziaływań grawitacyjnych. Co to w ogóle znaczy? Unikając równań, powiem tak: jeżeli obserwuję jakiś obiekt (gwiazdę, planetę, cokolwiek) i widzę, że krąży wokół niego inny obiekt (księżyc, inna planeta, mniejsza gwiazda etc.), to znając rozmiar orbity, czas obiegu i stałą grawitacji, mogę wyliczyć masę tego obiektu w środku. To jest matematycznie bardzo proste, w wersji elementarnej wystarczy wiedza na poziomie liceum. Można po prostu obliczyć, jaka masa centralna jest potrzebna, żeby utrzymać satelitę na określonej orbicie. Dlatego też astronomowie lubią sytuacje, w których coś wokół czegoś krąży. Gdybym widział gołą gwiazdę w pustej przestrzeni, to dużo trudniej byłoby wyliczyć jej masę i cokolwiek więcej o niej powiedzieć.
To było rozumowanie ze szkolnej ławki, ale w przypadku ciemnej materii idea jest ta sama. Widząc oddziałujące na siebie ciała niebieskie w ruchu, astronomowie mogą wyliczyć masę, która odpowiada za te oddziaływania (bo właśnie masa jest przedmiotem oddziaływania grawitacyjnego). Tę analizę można prowadzić również dla większych i bardziej złożonych obiektów, np. dla galaktyk albo wręcz wszechświata jako całości. Innymi słowy, obserwując ruchy we wszechświecie, możemy oszacować masę, jaka w nim jest zawarta.
Można ją jednak wyznaczać także w inny sposób, mianowicie dodając masę świecącej materii – tej, którą widzimy. Szacujemy, że we wszechświecie jest tyle a tyle gwiazd i galaktyk, wiemy skądinąd, ile średnio wynosi masa jednej gwiazdy czy galaktyki, więc mnożymy i mamy oszacowanie łącznej masy świecącej materii we wszechświecie. I tutaj niespodzianka. Materii, która oddziałuje grawitacyjnie, jest we wszechświecie więcej niż tej, która świeci. Tę różnicę nazywamy właśnie ciemną materią.
Czym jest ciemna materia? Jest ciemna i jest materią, czyli z definicji oddziałuje grawitacyjnie, ale nie świeci. I to nie dlatego nie świeci, że akurat nie ma warunków, by emitowała lub odbijała światło. Tu chodzi o coś więcej – o inny rodzaj materii, który w ogóle nie reaguje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Łatwiej jest powiedzieć, czym ciemna materia nie jest, niż czym jest. Nie należy jej sobie wyobrażać jako jakiegoś ciemnego gazu rozproszonego w przestrzeni. Nic z tych rzeczy – taki gaz pochłaniałby promieniowanie, które przez niego przechodzi, i to byłoby widać w obserwacjach. Ciemna materia nie jest też „ukryta” w jakichś wielkich czarnych dziurach. Gdyby tak wielka masa była w nich utajniona, to też byśmy to zauważyli, bo zachowywałyby się one jak soczewki wykrzywiające światło.
Jeżeli częścią ciemnej materii miałaby być „zwykła” materia, to zapewne byłyby to niewielkie i chłodne obiekty, stare i wypalone gwiazdy, brązowe karły, które nigdy nie świecą jasno, przez co są trudne do wykrycia (jest piękny angielski skrót na to – MACHO, czyli Massive Astrophysical Compact Halo Object). Prawdopodobnie jednak większość ciemnej materii to materia niebarionowa, a więc taka, która w przeciwieństwie do „naszej” materii nie składa się z protonów i neutronów. Nie chodzi tu zarazem o antymaterię, bo gdyby ta była obecna w takich ilościach w kosmosie, to wchodziłaby w kontakt ze zwykłą materią i anihilowałaby, co generowałoby promieniowanie gamma, które byśmy wykrywali. A nie wykrywamy. Przypuszczalnie za ciemną materię odpowiadają więc różne egzotyczne cząstki elementarne, których istnienie jest teoretycznie rozważane przez fizyków. Przykładem mogą być WIMP-y (Weakly Interacting Massive Particles), czyli cząstki, które poza grawitacją podlegają tylko oddziaływaniu słabemu, tak jak neutrino, ale w odróżnieniu od neutrina mają względnie dużą masę.
Szybko, coraz szybciej
Czym w takim razie jest ciemna energia? To jeszcze coś innego. O istnieniu ciemnej materii wnioskujemy z rozbieżności między obserwacjami grawitacyjnymi a sumą masy świecącej materii, istnienie ciemnej energii jest zaś postulowane po to, żeby wyjaśnić tempo rozszerzania się wszechświata. Akcent pada tutaj na słowo postulowane: podkreślić trzeba, że ciemna energia jest – póki co – hipotezą, nie została jeszcze w żaden definitywny sposób odkryta.
Przypomnijmy tym, którzy zapomnieli, że się tego uczyli w szkole: wszechświat się rozszerza. Ciągle się powiększa, galaktyki oddalają się od siebie. Ale nie należy tego rozumieć jako ruchu owadów w pokoju w letni dzień. Nie chodzi o to, że galaktyki krążą czy poruszają się wokół siebie. Nie chodzi też o to, że one dokądś uciekają. Jest raczej tak, że wciąż powstaje nowe dokądś. To nie galaktyki przemieszczają się w przestrzeni, tylko… przestrzeni przybywa. To trudne do wyobrażenia, bo przyzwyczailiśmy się, że metr to metr, a przestrzeń jest niezależna od niczego. Współczesna fizyka wie jednak, że nie jest tak prosto. Przestrzeń – sama przestrzeń, sama rozciągłość, jak by to ujął Kartezjusz – rozszerza się, powiększa z każdą chwilą. Nie sposób tego zauważyć w skali ludzkiej, bo każdy metr co roku wydłuża się o siedem setnych nanometra, czyli o rozmiar atomu wodoru. Przyjąwszy jednak skalę kosmologiczną, zyskujemy wymierny wynik – najdalsze galaktyki oddalają się od nas z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła. Naukowcy wiedzą o tym już od międzywojnia.
Novum ostatniego ćwierćwiecza jest jednak takie, że jak widzimy w danych, wszechświat rozszerza się dzisiaj szybciej, niż rozszerzał się kiedyś. To dość nieintuicyjne (jeśli cokolwiek w astrofizyce jest intuicyjne), bo grawitacja powinna raczej spowalniać ucieczkę galaktyk. A jednak nie. Z najnowszych danych wynika, że to tempo rozszerzania się rośnie. Gdzie szukać przyczyny?
W takiej sytuacji naukowcy mają różne możliwości. Mogą zaproponować korektę istniejących teorii, żeby dostosować je do nowych danych (w tym wypadku chodziłoby o ogólną teorię względności Einsteina). Mogą też postulować istnienie czegoś, co jest jeszcze nieznane, a mogłoby wpływać na wyniki w obowiązującym modelu – chociażby jakiegoś zupełnie nieznanego fizyce typu pola albo właśnie ciemnej energii.
Czym ona miałaby dokładnie być? Jest ciągle tylko hipotezą, więc ściśle rzecz biorąc – nie wiadomo. Wiadomo natomiast, jakie warunki musi spełniać, żeby wyjaśniać dane, które zebraliśmy. O ciemnej energii można myśleć jak o energii pustej przestrzeni. Znów to dla nas nieintuicyjne, bo nie jesteśmy przyzwyczajeni do idei, że metry czy kilometry miałyby zawierać w sobie energię po prostu dlatego, że są przestrzenią. Ale zwolennicy ciemnej energii odpowiedzą wtedy tak: faktycznie, metry i kilometry niewiele mają w sobie energii, lecz kiloparseki i miliardy lat świetlnych już całkiem sporo. Ciemna energia jest niesłychanie rozrzedzona: jej gęstość otrzymamy, jeśli weźmiemy energię zawartą w główce zapałki i rozproszymy ją w objętości jeziora Ontario. Mało, jednak w skalach kosmologicznych to jak najbardziej działa i wywiera fundamentalny wpływ na wszechświat. Ciemna energia, energia gołej próżni oznacza ujemne ciśnienie, które istnieje w przestrzeni tylko dlatego, że ona, cóż, jest przestrzenią. To ciśnienie odpowiada za rozszerzanie się wszechświata, a suma ciemnej energii dodaje się w skalach kosmologicznych. W każdym określonym miejscu występuje jej niewiele, ale skoro jest ona własnością samej przestrzeni, to znaczy, że znajduje się wszędzie, nawet w tych olbrzymich, pustych przestrzeniach pomiędzy galaktykami. Z tego samego powodu jej „stężenie” nie spada w miarę rozszerzania się wszechświata – nie rozrzedza się ona tak, jak „rozrzedzają się” galaktyki, które są coraz dalej od siebie.
Wszystko to brzmi enigmatycznie. Warto przypomnieć, że ciemna energia jest propozycją teoretyczną, która ma wyjaśniać rozbieżności między obserwacjami a wyliczeniami. To oczywiście jej nie dyskwalifikuje, bo historia fizyki zna wiele przypadków, kiedy przewidywania teoretyków dopiero po latach znajdowały potwierdzenie w obserwacjach (przypomnę tylko, że minęło aż 110 lat między pierwszym postulatem istnienia fal grawitacyjnych a ich obserwacją – we współczesnej fizyce stulecie to cała epoka kosmologiczna). Jedną rzecz o ciemnej energii można natomiast powiedzieć dość dokładnie, a mianowicie ile właściwie jej jest. Zakładając oczywiście, że całe to modelowanie jest poprawne, najczęściej przyjmowane są proporcje następujące: zaledwie 5% całej masy-energii we wszechświecie to znana nam „zwykła” materia, 27% to ciemna materia, a ciemna energia – aż 68%. Jak to w życiu bywa, to, co ukryte, rządzi biegiem zdarzeń w dużo większym stopniu, niż się wydaje na pierwszy rzut oka.
Na koniec uwaga innej natury. Jestem z wykształcenia zarówno fizykiem, jak i filozofem, a tutaj aspekt filozoficzny odgrywa ważną rolę, bo ciemna energia (a w zasadzie również ciemna materia) jest bardzo interesująca z punktu widzenia filozofii nauki. Otóż trzeba pamiętać, że ciemna energia to nie tylko hipoteza w tym sensie, iż nie została jeszcze wykryta w bezpośrednim doświadczeniu. Jest ona także swego rodzaju „postulatem pomocniczym” czy wręcz „hipotezą ratunkową” (i jako taka bywa też krytykowana). Oto jak to działa. Mamy pewien model wszechświata, któremu generalnie ufamy, ale spływają nowe dane, które się w nim nie mieszczą. Musimy więc albo dokonać rewizji samej teorii, co jest oczywiście trudne i niesie dalekosiężne konsekwencje, albo zaproponować nowe zjawisko, które tłumaczyłoby dane bez pozbywania się poprzedniej teorii. Historia nauki zna sytuacje, gdy w podobnych okolicznościach powstawały olśniewające, prorocze wręcz koncepcje, które doświadczenie potwierdzało dopiero dekady później, ale zna też sytuacje, kiedy intuicja wiodła naukowców na manowce. Do której kategorii zaliczona zostanie kiedyś ciemna energia, pokażą to tylko czas i nowe dane.
Czytaj również:
