Ciemna materia może być jeszcze dziwniejsza, niż sądziliśmy

Muszę się przyznać — ten temat sprawił, że musiałam przeczytać go dwa razy. A piszę o dziwnych rzeczach z fizyki dość często.

O co w ogóle chodzi?

Ciemna materia to już sama w sobie jedna z najbardziej zakręconych koncepcji w nauce. Nie emituje światła. Nie odbija promieniowania. Nie możemy jej dotknąć ani wykryć wprost. Wiemy, że istnieje, bo widzimy jej wpływ grawitacyjny na to, co widzialne — galaktyki, gwiazdy i tym podobne.

Ale teraz naukowcy zadają sobie pytanie, które brzmi jak scenariusz filmu sci-fi: a co jeśli ciemna materia ma własną, tajną siłę? Nie taką, która działa na zwykłą materię — tylko taką, którą odczuwają wyłącznie cząstki ciemnej materii?

Brzmi absurdalnie? Według badaczy to wariant wart poważnego potraktowania.

Koncepcja "ciemnej siły"

Chodzi o ukrytą interakcję działającą wyłącznie w obrębie sektora ciemnej materii. Znasz elektromagnetyzm, grawitację, siły jądrowe? Ciemna materia miałaby swoją własną wersję czegoś podobnego — dodatkowe przyciąganie, które zwykła materia nie jest w stanie wykryć.

Co ciekawe, to nie jest czysta spekulacja. Naukowcy traktują to poważnie, bo obserwacje Wszechświata zaczynają pokazywać pewne rozbieżności.

Pomiary tempa ekspansji kosmosu nie do końca zgadzają się z tym, co widzimy w tworzeniu się galaktyk i struktur. Niektóre dane sugerują, że Wszechświat rozszerzał się trochę wolniej, niż przewidują nasze standardowe modele. Inne wskazują, że materia mogła być bardziej skupiona, niż oczekiwaliśmy w największych skalach.

Te różnice są subtelne — wręcz mikroskopijne — ale wystarczą, by fizycy zaczęli się zastanawiać, czy czegoś fundamentalnego nie przeoczyliśmy.

Wynik, który burzy intuicję

I tutaj robi się naprawdę interesująco.

Gdybyśmy dodali ciemnej materii dodatkową siłę przyciągającą, co byśmy oczekiwali? Większość osób (ja też, szczerze mówiąc) odpowiedziałaby: rzeczy będą się szybciej skupiać. Więcej siły oznacza szybszy wzrost struktur.

Logiczne, prawda?

No więc... tak nie jest.

Zespół badawczy przeprowadził szczegółowe obliczenia, modelując zachowanie cząstek ciemnej materii pod wpływem tej ukrytej siły. Wyniki były zaskakujące: choć dodatkowa siła faktycznie zwiększa grupowanie się ciemnej materii, to w większości przypadków spowalnia wzrost struktur kosmicznych.

Co?

Dlaczego Wszechświat musi być skomplikowany

Wyjaśnię, o co tu chodzi, bo to naprawdę fascynujące.

Gdy cząstki ciemnej materii przyciągają się przez tę ukrytą siłę, jednocześnie zachodzi coś innego. Cząstki tracą masę wraz z ekspansją Wszechświata. Brzmi dziwnie — masa nie powinna po prostu znikać — ale w tej teorii właśnie tak się dzieje.

Konsekwencja jest następująca: gdy ciemna materia traci masę, jej wpływ grawitacyjny słabnie. To osłabienie grawitacji niweluje dodatkowy pchł od ciemnej siły. Te dwa efekty w zasadzie się znoszą, przy czym ubytek masy zazwyczaj wygrywa.

W rezultacie? Lepsze grupowanie w małych skalach, ale spowolniony wzrost dużych struktur, które próbujemy mierzyć.

„To trochę jak pchanie wózka sklepowego, z którego powoli uchodzi powietrze z opon" — mówi Zachary Weiner z Perimeter Institute for Theoretical Physics, główny autor badania. „Dodajesz więcej siły, ale wózek stale się zmniejsza."

Co to oznacza dla prawdziwych obserwacji

To odkrycie to nie tylko intelektualna zabawka. Ma realne konsekwencje dla naszego rozumienia kosmosu.

Instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) dostarcza ostatnio intrygujących danych o ekspansji Wszechświata. Niektóre proponowane wyjaśnienia tych wyników właśnie zakładają oddziaływania między cząstkami ciemnej materii — podobne do tej ukrytej siły.

Według nowych badań, takie modele muszą uwzględniać możliwość, że ciemna materia staje się efektywnie „lżejsza" w miarę ewolucji Wszechświata. To kluczowy szczegół, który może zmienić interpretację pomiarów DESI.

Wszechświat nie przejmuje się naszą intuicją

To chyba najciekawsza lekcja z tej historii: fizyka kosmiczna często kłóci się ze zdrowym rozsądkiem.

Nasza intuicja wywodzi się z codziennego doświadczenia — siła przyciągająca powinna sprawiać, że rzeczy szybciej się łączą. Ale Wszechświat rządzi się innymi zasadami, w skalach i warunkach, których nigdy nie doświadczamy bezpośrednio.

„To, co naprawdę wiemy o ciemnej materii, nauczyliśmy się dotychczas wyłącznie dzięki jej efektom grawitacyjnym" — podsumowuje Weiner. „To zostawia otwarte pole dla możliwości, że ciemna materia ma dodatkowe oddziaływania ukryte przed zwykłą materią."

Wnioski

Nauka to nie kwestia polegania na przeczuciach. Chodzi o podążanie za dowodami — nawet tam, gdzie prowadzą do wniosków, które wydają się kompletnie nieintuicyjne.

Gdy dokładniejsze obserwacje z nowych teleskopów i przeglądów nieba będą napływać, zbliżymy się do odpowiedzi na pytanie, czy ciemna materia skrywa jakieś ukryte sekrety. Jedno jest pewne: cokolwiek odkryjemy, na pewno nie będzie to nudne.

Wszechświat jest często bardziej subtelny, niż sugeruje nasza intuicja. Dlatego właśnie musimy nieustannie testować te pomysły.