Odkryli pierwszy jasny sygnał ciemnej materii. Astronomowie łapią się za głowy
Ciemna materia podobnie jak ciemna energia stanowią jedne z największych zagadek dzisiejszej astrofizyki. Te tajemnicze siły wypełniają prawdopodobnie ok. 95% Wszechświata, a jednak dotąd nie udało się ich zaobserwować bezpośrednio, a o ich istnieniu świadczą jedynie wyliczenia. Tymczasem pojawił się mocny sygnał z serca Drogi Mlecznej, który uchodzi za najbardziej jak dotąd obiecujący w kontekście poznania ciemnej materii. Naukowcy z Japonii przedstawili pierwszą w historii sygnaturę energetyczną, pochodzącą według nich z oddziaływania ciemnej materii. Badanie wzbudza jednak kontrowersje.
Spis treści:
- Ciemna materia wymyka się obserwacjom. Japońscy naukowcy odkryli jednak sposób
- Po raz pierwszy udało się zobaczyć ciemną materię. To jasny sygnał
- To odkrycie może wstrząsnąć światem nauki. Będą zmiany w modelu standardowym?
Ciemna materia wymyka się obserwacjom. Japońscy naukowcy odkryli jednak sposób
Ciemna materia jest hipotetyczną formą materii, która nie emituje ani nie odbija promieniowania elektromagnetycznego, dlatego jest praktycznie niewidzialna. Z wyliczeń astrofizyków wynika, że stanowi ona ok. 26,8% energii Wszechświata - w porównaniu do zaledwie 4,9% zwykłej materii i 68,3% ciemnej energii. Hipotezę istnienia tej siły opracował w 1933 roku szwajcarski astronom Fritz Zwicky, a w kolejnych dekadach skłaniali się ku niej inni astronomowie.
Ta niewidzialna materia jest jakoby brakującym ogniwem, które tłumaczy dziwne zachowania galaktyk. Pod wpływem zwykłej materii powinny one być wyrzucane poza gromady. Tak się jednak nie dzieje. To, co trzyma je na miejscu, określane jest właśnie jako ciemna materia. Hipoteza od początku wzbudzała kontrowersje, ale wraz z pojawianiem się kolejnych dowodów obserwacyjnych większość środowiska naukowego uznaje ją za wysoce prawdopodobną.
Do tej pory nie wiadomo, czy tajemnicza materia spowijająca Wszechświat jest w ogóle prawdziwa. Również eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, detektory ani teleskopy nie umożliwiły jej obserwacji. Niewykluczone, że jej hipoteza skończy tak samo, jak ta mówiąca o wypełniającym przestrzeń eterze. Możliwe jednak, że nadal będzie uznawana za najlepsze aktualne wyjaśnienie zachowania się galaktyk. Znaczący dowód przedstawili tymczasem naukowcy z Wydziału Astronomii Uniwersytetu Tokijskiego, którzy 25 listopada zamieścili nową publikację w "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics". Co udało im się odkryć?
Po raz pierwszy udało się zobaczyć ciemną materię. To jasny sygnał
Tomonori Totani z Uniwersytetu Tokijskiego opublikował pracę, która może zmienić nasze postrzeganie ciemnej materii. W poszukiwaniu jej sygnałów przeanalizował wraz z zespołem dane z Fermi Gamma-ray Space Telescope (GLAST), kosmicznego obserwatorium promieniowania gamma obsługiwanego przez NASA. Wykrywa ono najbardziej energetyczne fotony w spektrum elektromagnetycznym.
Dlaczego właśnie GLAST? Spekuluje się bowiem, że ciemna materia zbudowana jest z hipotetycznych słabo oddziałujących masywnych cząstek (ang. Weakly Interacting Massive Particles - WIMP), cięższych od protonów, ale prawie niewchodzących w interakcje ze zwykłą materią. Podczas ich zderzenia (podobnie jak w przypadku materii z antymaterią) ma dochodzić do anihilacji, uwolnienia innych cząstek oraz emisji promieniowania gamma. Właśnie ten trop podjęli japońscy astronomowie.
Badaczom udało się wykryć pewien wzór promieni gamma, który pokrywa się z kształtem halo ciemnej materii, rozchodzącym się sferycznie z centrum naszej galaktyki - Drogi Mlecznej. Ów deszcz promieni jest niewidoczny gołym okiem, ale teleskopy kosmiczne czułe na owo promieniowanie o bardzo małej długości fali są w stanie go zaobserwować. Naukowcy znaleźli te dane i zaprezentowali światu pierwszą taką sygnaturę. Oto, jak ona wygląda.
"Wykryliśmy promienie gamma z energią fotonu rzędu 20 gigaelektronowoltów (lub 20 mld elektronowoltów, ekstremalnie wielką ilością energii) rozchodzące się w strukturze przypominającej halo w kierunku centrum Drogi Mlecznej. Komponent emisji promieni gamma ściśle odpowiada kształtowi oczekiwanemu od halo ciemnej materii" - wyjaśnia Tomonori Totani.
Co więcej, sygnatura energetyczna tych promieni pokrywa się również z przewidywaną sygnaturą anihilacji cząstek WIMP. Zdaniem badacza trudno znaleźć inne wyjaśnienie tego, co zarejestrował Fermi.
To odkrycie może wstrząsnąć światem nauki. Będą zmiany w modelu standardowym?
"Jeśli to prawda, to o ile wiem, byłby to pierwszy raz, kiedy ludzkość 'zobaczyła' ciemną materię. I wychodzi na to, że ciemna materia jest nową cząstką, nieuwzględnioną przez obecny model standardowy fizyki cząstek. To znaczący, duży postęp w astronomii i fizyce" - powiedział odkrywca sygnału.
Astronomowie z Japonii są pełni entuzjazmu, jednak zdają sobie sprawę, że potrzebne jest więcej twardych dowodów, by móc wprowadzić ciemną materię do modelu standardowego, czyli obecnie przyjętej teorii opisującej cząstki elementarne. Jedna taka obserwacja nie wystarczy. Ponadto w środowisku naukowym takie rewelacje, jak odkrycie nowej cząstki elementarnej przyjmowane są ze sceptycyzmem (co jest zupełnie prawidłowe), więc towarzyszący mu hurraoptymizm może wywoływać kontrowersje.
Warto przy tym pamiętać, że w nauce nic nie jest na pewno. Nawet model standardowy służy jedynie za teorię - mimo że opisuje "prawa fizyki". Jest to jednak najbardziej prawdopodobny opis podstawowych sił fizycznych rządzących Wszechświatem, co do którego zgadza się większość środowiska naukowego. Nie ma żadnego zakazu jego falsyfikacji (obalania), jednak póki co brak jest lepszych wyjaśnień. Model standardowy nie jest jednak zamkniętym rozdziałem i dodanie do niego nowego rodzaju materii jest jak najbardziej możliwe.
Źródło: Tomonori Totani, 20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). DOI: 10.1088/1475-7516/2025/11/080
