Kilka dni temu zespół kosmicznego spektroskopu AMS poinformował o zaobserwowaniu nadmiaru wysokoenergetycznych pozytonów w przestrzeni kosmicznej. W Gazecie Wyborczej pisał o tym Piotr Cieśliński. Obserwacja ta może stanowić „namacalny” dowód istnienia ciemnej materii – i stąd właśnie bierze się zainteresowanie mediów.
Ciemna materia
Ciemna materia nie jest przedmiotem moich badań naukowych, ale kilka lat temu zacząłem się nią interesować, trochę ze wstydu, że ja, fizyk, tak niewiele wiem o czymś, co wydaje się tak bardzo ważne. W efekcie napisałem nawet artykuł popularnonaukowy do Fotonu (Foton 103, 16-22 (2008)). Istnienie ciemnej materii zostało pierwszy raz zasugerowane w latach ’30 XX wieku – okazało się, że musi istnieć coś, jakaś dodatkowa materia, która wywiera swój grawitacyjny wpływ na pozostałą materię, w szczególności na gwiazdy, i nadaje im obserwowane prędkości. Materia ta jest niewidoczna, nie pochłania ani nie wysyła światła bądź innego promieniowania, a zatem jest ciemna.
Obecnie wydaje się, że ciemna materia gromadzi się głównie nie tam, gdzie początkowo przypuszczano, to znaczy w galaktykach, ale w przestrzeni międzygalaktycznej, stabilizując gromady galaktyk i czyniąc z nich największe związane obiekty we Wszechświecie. Obserwacje mikrosoczewkowania grawitacyjnego w gromadach galaktyk potwierdzają (prawie na pewno) istnienie ciemnej materii. Ba, jest jej kilka razy więcej, niż materii widzialnej!
Większość fizyków uważa, że oprócz materii widzialnej i ciemnej istnieje rzecz jeszcze bardziej egzotyczna, zwana ciemną energią. Wywiera ona ujemne ciśnienie i powoduje, że ekspansja Wszechświata nieustannie przyspiesza. Mamy jednak tylko pośrednie przesłanki świadczące o istnieniu ciemnej energii.
Eksperyment AMS
Czym jest ciemna materia? Tego nie wiadomo. Zgodnie z paradygmatem fizyki przypuszcza się, że tworzą ją jakieś cząstki; zgodnie z tym samym paradygmatem cząstki te powinny oddziaływać nie tylko grawitacyjnie: Powinno występować jakieś pozagrawitacyjne – choć bardzo, bardzo słabe – oddziaływanie cząstek ciemnej materii ze sobą i z cząstkami materii zwykłej. Jednym z możliwych procesów jest anihilacja cząstek ciemnej materii, w wyniku której produkowane są strumienie elektronów i pozytonów. Elektronów jest w przestrzeni kosmicznej dużo, trudno więc odróżnić te pochodzące od ciemnej materii. Co innego pozytony – ich jest mało, a więc jeżeli gdzieś zauważymy wzrost ich liczby, może to świadczyć o tym, że dowodzą one anihilacji – a więc uprzedniego istnienia! – cząstek ciemnej materii.
Obserwacje takie prowadził już włoski satelita PAMELA, ale wyniki nie były w pełni przekonujące.
Zainstalowany na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wielki Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) przeznaczony jest do badania promieniowania kosmicznego. AMS zaprojektował, zbudował, a teraz obsługuje 600-osobowy zespół badawczy, kierowany przez noblistę Samuela Tinga. Pierwszym zadaniem AMS było właśnie poszukiwanie nadmiarowych pozytonów, mogących pochodzić z anihilacji ciemnej energii, i zmierzenie ich widma energetycznego. Na konferencji prasowej w CERN zaprezentowano pierwsze wyniki.

Ten wykres stanowi niewątpliwy znak, że coś się dzieje. Są nadmiarowe pozytony i mają swoją strukturę energetyczną, ba, taką, która pasuje do pewnego modelu teoretycznego ciemnej materii. Nie ma jednak całkowitej pewności, że zarejestrowane cząstki pochodzą z anihilacji ciemnej materii – mogą też pochodzić z jakichś niezaobserwowanych pulsarów lub innych egzotycznych źródeł. Nie ma też całkowitej pewności jakie powinno być galaktyczne tło pozytonowe, a zatem ile nadmiarowych pozytonów tak naprawdę zaobserwowano. I najważniejsze, gdyby pozytony pochodziły z anihilacji cząstek ciemnej materii, ich widmo energetyczne powinno mieć wyraźny pik, odpowiadający podwojonej masie anihilujących cząstek. Być może pik taki pojawi się w wysokoenergetycznej części widma, której dotąd nie udało się zmierzyć.
Dlatego też Ting jest bardzo ostrożny i nie mówi o odkryciu cząstek ciemnej materii, ale o „zaobserwowaniu nowego zjawiska fizycznego” i zapowiada dalsze pomiary, przede wszystkim w wysokoenergetycznej części widma. Ting chciałby, aby zarejestrowane dotąd 7 milionów cząstek ostatecznie stanowiło tylko 10% całości.
Można zadać pytanie dlaczego zatem Samuel Ting zdecydował się ogłosić niepełne wyniki? Złośliwi twierdzą, że eksperyment AMS był niezwykle kosztowny (dwa miliardy dolarów wobec planowanych kilkudziesięciu milionów!), więc musiał pokazać jakieś ciekawe wyniki, żeby uzasadnić swoje istnienie. Na ten aspekt zwraca uwagę Science w swoim komentarzu.
Przewrót kopernikański
W starożytności i średniowieczu to Ziemia stanowiła centrum Wszechświata. Kopernik umieścił w centrum Słońce, a Ziemię przegnał na orbitę. Mr William Herschel pokazał, że Układ Słoneczny leży gdzieś na uboczu Galaktyki. Edwin Hubble udowodnił, że nasza Galaktyka jest tylko jedną z bardzo wielu galaktyk, które w dodatku oddalają się od siebie. Ha, cóż, okazaliśmy się zaledwie drobnym pyłkiem gdzieś wewnątrz nieogarnionego Wszechświata, ale przynajmniej wiedzieliśmy, z czego ten Wszechświat jest zbudowany. Albo tak nam się przynajmniej wydawało.
O ciemnej materii prawie na pewno wiemy, że istnieje. W kwestii ciemnej energii dysponujemy tylko niepotwierdzonymi hipotezami. Ale jeżeli ciemna energia rzeczywiście istnieje, to wedle dostępnych dziś danych, zawiera w sobie około 72% całkowitej energii Wszechświata. Mniej więcej 23% przypada na ciemną materię, niecałe 5% na zwykłą materię i wszelkie znane formy promieniowania, przy czym materia wszystkich gwiazd i ich układów planetarnych zawiera zaledwie 0,4% całkowitej energii Wszechświata (olbrzymia większość zywkłej materii występuje w postaci bardzo rozrzedzonej plazmy galaktycznej i międzygalaktycznej). To zestawienie daje pojęcie o naszej roli we Wszechświecie.
A jeśli przyjąć hipotezę Wieloświata (ang. Multiverse), cały nasz Wszechświat okaże się tylko jednym z nieprzebranej liczby wielu współistniejących wszechświatów. Tak wygląda współczesny przewrót kopernikański.
Moje dawne teksty o ciemnej materii, z nieaktywnego już bloga Świat – jak to działa:
21.08.08 Ciemna materia trochę jaśniejsza. Być może
28.08.08 PAMELA 007
5.11.08 Galaktyczne kłopoty
9.12.08 PAMELA i balony
12.12.08 Zważyć niewidzialne
4.05.09 Nie widać ciemności
21.12.09 Ciemna materia, dwa trafienia
14.02.10 Zbyt jasno na ciemną materię