Większa część naszego wszechświata jest ukryta na widoku. Choć nie możemy go zobaczyć ani dotknąć, większość astronomów twierdzi, że większa część kosmosu składa się z ciemnej materii i ciemnej energii. Czym jednak jest ta tajemnicza, niewidzialna materia, która nas otacza? I jaka jest różnica pomiędzy ciemną energią a ciemną materią? W skrócie, ciemna materia spowalnia ekspansję wszechświata, podczas gdy ciemna energia ją przyspiesza.

Ciemna materia działa jak siła przyciągania – rodzaj kosmicznego cementu, który trzyma nasz wszechświat razem. Dzieje się tak, ponieważ ciemna materia oddziałuje z grawitacją, ale nie odbija, nie pochłania ani nie emituje światła. Tymczasem ciemna energia jest siłą odpychającą – rodzajem antygrawitacji – która napędza wciąż przyspieszającą ekspansję wszechświata.

Ciemna energia jest znacznie bardziej dominującą siłą z tych dwóch, stanowiąc około 68 procent całkowitej masy i energii wszechświata. Ciemna materia stanowi 27 procent. A reszta – marne 5 procent – to cała zwykła materia, którą widzimy i z którą wchodzimy w interakcje każdego dnia.

Ciemnej materii nie można sfotografować, ale naukowcy mogą ją wykryć i zmapować poprzez pomiar soczewkowania grawitacyjnego. Jej rozkład pokazany jest tutaj na niebieskiej nakładce wewnętrznego regionu Abell 1689, gromady galaktyk oddalonej o 2,2 miliarda lat świetlnych. (Credit: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS)

Czarna Materia

W latach 30-tych XX wieku, urodzony w Szwajcarii astronom Fritz Zwicky studiował obrazy około 1000 galaktyk tworzących Gromadę Coma – i zauważył coś zabawnego w ich zachowaniu. Galaktyki poruszały się tak szybko, że powinny się po prostu rozlecieć. Spekulował, że jakiś rodzaj “ciemnej materii” trzyma je razem.

Dziesiątki lat później astronomowie Vera Rubin i Kent Ford znaleźli podobne zjawisko, gdy badali tempo rotacji poszczególnych galaktyk. Gwiazdy na zewnętrznych krawędziach galaktyki powinny obracać się wolniej niż gwiazdy w jej centrum. Tak właśnie orbitują planety w naszym Układzie Słonecznym. Zamiast tego zauważyli, że gwiazdy na obrzeżach galaktyk krążą równie szybko – lub szybciej – niż gwiazdy znajdujące się bliżej środka. Rubin i Ford znaleźli więcej dowodów na to, że jakaś niewidzialna forma materii najwyraźniej trzyma wszechświat razem.

“Nawet gwiazdy na peryferiach orbitują z dużymi prędkościami”, wyjaśnił Rubin w wywiadzie dla Discover. “Musi istnieć duża masa, która sprawia, że gwiazdy orbitują tak szybko, ale nie możemy jej zobaczyć. Nazywamy tę niewidoczną masę ciemną materią.”

Astronomowie mają obecnie wiele innych dowodów, które sugerują, że ciemna materia jest prawdziwa. W rzeczywistości, istnienie ciemnej materii jest tak powszechnie akceptowane, że jest ona częścią tak zwanego standardowego modelu kosmologii, który stanowi podstawę tego, jak naukowcy rozumieją narodziny i ewolucję wszechświata. Bez niej nie możemy wyjaśnić, jak się tu znaleźliśmy.

Szeroki widok lokalnego wszechświata, obejmujący setki milionów lat świetlnych, ujawnia zbitą i pajęczą strukturę kosmosu, z pasmami galaktyk i ogromnymi pustymi przestrzeniami. Droga Mleczna jest tylko jednym z wielu punktów, które tworzą Supergromadę Virgo. Zamiast pustych, pasywnych przestrzeni, puste przestrzenie mogą zawierać wskazówki do zrozumienia ciemnej materii, ciemnej energii i ewolucji galaktyk. (Credit: Andrew Z. Colvin)

Ale ten wzniosły status wywiera presję na kosmologów, aby znaleźli ostateczny dowód, że ciemna materia istnieje i że ich model wszechświata jest poprawny. Przez dziesięciolecia fizycy na całym świecie używali coraz bardziej zaawansowanych technologicznie instrumentów, aby spróbować wykryć ciemną materię. Jak dotąd, nie znaleźli żadnych jej oznak.

Read More: As the Hunt Drags Out, Physicists Start Searching for the Lightest Dark Matter

Ciemna energia

Astronomowie wiedzą, że nasz wszechświat rozszerza się już od około stu lat. Obserwacje teleskopowe wykazały, że większość galaktyk oddala się od siebie, co sugeruje, że w odległej przeszłości galaktyki były bliżej siebie. W rezultacie zaczęto zbierać dowody na istnienie Wielkiego Wybuchu. Astronomowie założyli jednak, że łączne przyciąganie grawitacyjne wszystkich gwiazd i galaktyk w kosmosie powinno spowalniać ekspansję wszechświata. Być może nawet kiedyś zapadnie się on z powrotem w siebie w Wielkim Kryzysie.

Ta koncepcja została odrzucona pod koniec lat 90-tych, jednakże, kiedy dwa zespoły astronomów zauważyły coś, co nie miało żadnego sensu. Naukowcy badający supernowe w najbardziej odległych galaktykach odkryli, że odległe galaktyki oddalają się od nas szybciej niż galaktyki znajdujące się w pobliżu. Wszechświat nie tylko się rozszerzał – jego ekspansja przyspieszała.

(Credit: Roen Kelly/Discover)

“Moja własna reakcja jest gdzieś pomiędzy zdumieniem a przerażeniem”, powiedział The New York Times w 1998 roku astronom Brian Schmidt, który kierował jednym z dwóch zespołów. “Zdumienie, ponieważ po prostu nie spodziewałem się tego wyniku, a przerażenie, ponieważ wiem, że prawdopodobnie nie uwierzy w niego większość astronomów – którzy, tak jak ja, są bardzo sceptyczni wobec tego, co niespodziewane.”

Ale zamiast go obalić, kolejne obserwacje tylko wzmocniły dowody na istnienie ciemnej energii. W rzeczywistości, niektórzy prominentni krytycy ciemnej materii nadal akceptują istnienie ciemnej energii.

Read More: How Will the Universe End?

Nawet nie oznacza to, że naukowcy wiedzą czym jest ciemna energia. Daleko od tego. Ale mogą opisać jej rolę we wszechświecie, dzięki teorii względności ogólnej Alberta Einsteina. Einstein nie wiedział o ciemnej energii, ale jego równania sugerowały, że może powstać nowa przestrzeń. Uwzględnił on również czynnik fuzyjny w teorii względności zwany stałą kosmologiczną, którą dodał – i później tego żałował – aby zapobiec zapadaniu się wszechświata do wewnątrz. Idea ta pozwala, by przestrzeń sama w sobie posiadała energię. Jednak naukowcy nadal nigdy nie widzieli tej siły na Ziemi.

Niektórzy fizycy teoretyczni uważają, że istnieje całe ciemne królestwo cząstek i sił, które tylko czekają na odkrycie. Niezależnie od tego, z czego zbudowane są ciemna energia i ciemna materia, wydają się one bawić w przeciąganie liny z naszym wszechświatem – zarówno trzymając go razem, jak i rozrywając na strzępy.

.