Ciemna materia pozostaje jedną z największych zagadek obecnej nauki. Pierwsze poszlaki wskazujące na jej istnienie pojawiły się jeszcze w latach 30., jednak nie spotkały się z entuzjastycznym przyjęciem przez środowisko naukowe. Dopiero obserwacje przeprowadzone 50 lat później sprawiły, że termin „ciemna materia” na stałe zagościł w podręcznikach do fizyki.

„Ta galaktyka waży za mało” – 85 proc. całej masy Wszechświata to ciemna materia [1]

Amerykańska astronomka, Vera Rubin, rozpoczęła obserwacje Galaktyki Andromedy w 1970 roku. Szybko doszła do wniosku, że przy takiej rotacji większość gwiazd oddalonych od centrum galaktyki powinna swobodnie odlecieć w przestrzeń kosmiczną. Gwiazdy pozostawały jednak na swoim miejscu, co wskazywało, że siły grawitacyjne muszą być znacznie większe, niż szacowano. Gdzie ukrywała się masa, która je generowała?

W swoich obliczeniach Rubin wykazała, że niewidocznej dla naukowców masy musi być 5-10 razy więcej, niż tej możliwej do zaobserwowania. [2] W kolejnych latach wielu astronomów różnymi metodami potwierdzało wyniki obserwacji. Nikt nie potrafił jednak bezpośrednio zarejestrować  ciemnej materii, mimo że obserwacje rozkładu obiektów w galaktykach pozwalały określić punkty w przestrzeni, w którym powinny znajdować się jej skupiska. W ten sposób powstała hipoteza określająca podstawową cechę ciemnej materii – nieznane cząstki, które ją tworzą, oddziałują z obserwowalną materią tylko na poziomie grawitacyjnym.

Mimo że na Ziemi zbudowano kilka detektorów cząstek ciemnej materii, do tej pory nie udało jej zaobserwować. Główni kandydaci do wykrycia to grupa WIMP-ów, czyli słabo oddziałujących masywnych cząstek (ang. Weakly Interacting Massive Particles). Wielu badaczy skupia się jednak na pośrednich metodach detekcji ciemnej materii i poszukiwaniu nowych sposobów wykrywania jej obecności. Jedną z propozycji, która pojawiła się już 20 lat temu, jest oddziaływanie WIMP-ów z neutrinami – innymi skrajnie trudnymi w obserwacji cząstkami, które naukowcy poznali jednak znacznie lepiej.

Neutrina – klucz do zrozumienia ciemnej materii

Założenia właśnie tej metody postanowił sprawdzić na nowo międzynarodowy zespół badaczy. Jednym z nich był dr Sebastian Trojanowski z międzynarodowej agendy badawczej AstroCeNT, CAMK PAN oraz Zakładu Fizyki Teoretycznej w NCBJ. [3]

Wyniki w formie artykułu naukowego są w całości dostępne w Internecie [4]. W komunikacie, który pojawił się na stronach Narodowego Centrum Badań Jądrowych, autor w przystępny sposób wyjaśnia, na czym polegała praca zespołu. 

Modele teoretyczne poszukiwanych cząstek ciemnej materii najbardziej przypominają właśnie neutrina. One także słabo oddziałują z innymi cząstkami (potrafią dosłownie przelecieć przez planetę na wylot). Jest jednak jeden, podstawowy problem – są zbyt lekkie, żeby mogły wywoływać takie odchylenia, jak te notowane choćby podczas obserwacji Andromedy.

We wczesnych latach badań pojawił się nawet pogląd, że za obserwowane odchylenia odpowiadają neutrina wyprodukowane na wczesnych etapach ewolucji Wszechświata (o innych parametrach). Obecne teorie odrzucają tę możliwość, jednak zarówno neutrina jak i pozostałości po Wielkim Wybuchu mogą okazać się kluczowe dla zrozumienia tajemnicy ciemnej materii. Nie da się też wykluczyć rewizji obecnych teorii, które następują cyklicznie wraz z rozwojem możliwości i precyzji aparatury badawczej.

Zbudowanie laboratorium do badania oddziaływań między opisywanymi cząsteczkami dalece wykracza poza granice obecnej technologii, jednak doskonałym zastępstwem okazuje się mikrofalowe promieniowanie tła – ślad energii z momentu formowania się pierwszych atomów, który obecnie obserwuje się jako widmo fali elektromagnetycznej o średniej temperaturze zaledwie 2,7 K. Niewielkie nieregularności termiczne dają wgląd w rozkład materii we wczesnym Wszechświecie. Ten z kolei był według naukowców silnie związany z rozkładem ciemnej materii. Dodatkowym czynnikiem mogły być oddziaływania między cząstkami ciemnej materii i neutrinami, które wówczas występowały w znacznie większym zagęszczeniu.

Odchylenia w tych rozkładach, które po raz pierwszy postulowano teoretycznie już 20 lat temu, musiały poczekać na dalszy rozwój technologii i dokładniejsze metody obserwacji mikrofalowego promieniowania tła. Wyniki badań, w których udział brał dr Trojanowski, potwierdzają te założenia, a także wyniki innej grupy dot. serii linii absorpcyjnych w widmach kwazarów i odległych galaktyk (tzw. las Lyman-alfa). Tam również obserwowano podobne wartości odchyleń, a badacze doszli do podobnych wniosków, które mogą je wyjaśnić. Wystarczy założyć niezerową wartość oddziaływań między neutrinami a ciemną materią.

„[…] Nawet jeśli nie ma to nic wspólnego z ciemną materią, to możliwe, że jesteśmy na tropie jakiegoś prawdziwego zjawiska, które oczekuje wyjaśnienia” komentuje dr Trojanowski.

Badania ciemnej energii a rozwój nauki

Mimo że artykuł na podstawie badań nie zawiera jednoznacznych i spektakularnych odpowiedzi, to stanowi ważny element na drodze do odkrycia jednej z największych zagadek w historii całej nauki.

Zrozumienie procesów fizycznych na tak elementarnym poziomie to nie tylko szansa na poznanie odwiecznych pytań dotyczących początków Wszechświata, ale z dużym prawdopodobieństwem ogromny postęp dla całej fizyki, który w bezpośredni sposób przekłada się na możliwości technologiczne ludzkiej cywilizacji. 

Udział polskich naukowców w poszukiwaniach fundamentalnych odpowiedzi to niewątpliwa wartość dla krajowej nauk, ale potencjalne korzyści wykraczają dalece poza mury uniwersytetów. Tworzenie teoretycznych podwalin dla nowych odkryć może okazać się przepustką do uczestnictwa w rozwoju przełomowych technologii będących ich rezultatem. 

Dla polskiej gospodarki aspirującej do grona europejskich i światowych liderów rozwój zaawansowanych technologii, know-how i produkcja jej kluczowych elementów są jednymi z podstawowych wyzwań i koniecznych do spełnienia warunków.

Bibliografia:

[1]Strona internetowa NASA, Dark Energy, Dark Matter,  https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy, (dostęp 28.10.2023)

[2] Strona internetowa Carnegie Science, Vera Rubin Who Confirmed “Dark Matter” Dies , https://carnegiescience.edu/news/vera-rubin-who-confirmed-%E2%80%9Cdark-matter%E2%80%9D-dies, (dostep 29.10.2023)

[3] Strona internetowa NCBJ, Neutrina mogą być kluczem do zrozumienia ciemnej materii, https://www.ncbj.gov.pl/aktualnosci/neutrina-moga-byc-kluczem-do-zrozumienia-ciemnej-materii, (dostęp 28.10.2023)
[4] Brax, P., Van de Bruck, C.,  Di Valentino, E., Giaré, W., Trojanowski, S., New insights on ν–DM interactions, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 527, Issue 1, January 2024, Pages L122–L126, https://doi.org/10.1093/mnrasl/slad157, (dostęp 28.10.2023)