Większości materii we wszechświecie, stanowiącej oszałamiające 85% masy, nie można zaobserwować i składa się ona z cząstek nieuwzględnionych w Modelu Standardowym Fizyki Cząstek (patrz uwaga 1). Cząstki te są znane jako ciemna materia, a ich istnienie można wywnioskować z ich wpływu grawitacyjnego na światło z odległych galaktyk. Znalezienie cząstki, która tworzy ciemną materię, jest pilnym problemem współczesnej fizyki, ponieważ dominuje ona w masie, a tym samym w grawitacji galaktyk – rozwiązanie tej zagadki może doprowadzić do nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Podczas gdy niektóre modele teoretyczne sugerują istnienie ultramasywnych cząstek jako możliwego kandydata na ciemną materię, inne sugerują ultralekkie cząstki. Zespół astrofizyków kierowany przez Alfreda AMRUTHA, doktoranta w zespole dr Jeremy’ego LIM z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Hongkongu (HKU), współpracujący z profesorem George’em SMOOTem, laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z Uniwersytetu w Hongkongu of Science and Technology (HKUST) i dr Razieh EMAMI, pracownik naukowy w Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian (CFA) dostarczył jak dotąd najbardziej bezpośrednich dowodów na to, że ciemna materia nie jest ultramasywnymi cząstkami, jak się powszechnie uważa, ale składa się z cząstek tak lekkich, że poruszają się w przestrzeni jak fale. Ich praca rozwiązuje wyjątkowy problem w astrofizyce, który pojawił się po raz pierwszy dwie dekady temu: dlaczego modele wykorzystujące ultramasywne cząstki ciemnej materii nie potrafią poprawnie przewidzieć obserwowanych pozycji i jasności wielu obrazów tej samej galaktyki utworzonych przez soczewkowanie grawitacyjne? Wyniki badań zostały niedawno opublikowane w Nature Astronomy.
Ciemna materia nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, co utrudnia obserwacje przy użyciu tradycyjnych technik astronomicznych. Obecnie najpotężniejszym narzędziem, jakim dysponują naukowcy do badania ciemnej materii, jest soczewkowanie grawitacyjne, zjawisko przewidziane przez Alberta Einsteina w jego ogólnej teorii względności. W tej teorii masa powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni, tworząc wrażenie, że światło zagina się wokół masywnych obiektów, takich jak gwiazdy, galaktyki lub grupy galaktyk. Obserwując to zakrzywienie światła, naukowcy mogą wywnioskować obecność i rozmieszczenie ciemnej materii – oraz, jak wykazano w tym badaniu, naturę samej ciemnej materii.
Kiedy obiekt soczewkowany na pierwszym planie i obiekt soczewkowany w tle – oba stanowiące na ilustracji pojedyncze galaktyki – są blisko siebie, na niebie można zobaczyć wiele obrazów tego samego obiektu tła. Pozycje i jasność wielosoczewkowych obrazów zależą od rozmieszczenia ciemnej materii w obiekcie soczewkującym na pierwszym planie, zapewniając w ten sposób szczególnie potężną sondę ciemnej materii.
Kolejne założenie natury Ciemnej Materii
W latach siedemdziesiątych XX wieku, po tym, jak istnienie ciemnej materii zostało mocno ustalone, jako kandydatów na ciemną materię zaproponowano hipotetyczne cząstki określane jako słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP). Uważano, że te WIMP-y są ultramasywne – co najmniej dziesięć razy masywniejsze od protonu – i oddziałują z inną materią jedynie poprzez słabe oddziaływanie jądrowe. Cząstki te wyłaniają się z teorii supersymetrii, opracowanych w celu wypełnienia braków w Modelu Standardowym i od tego czasu są szeroko promowane jako najbardziej prawdopodobni kandydaci na ciemną materię. Jednak przez ostatnie dwie dekady, przyjmując ultramasywne cząstki do ciemnej materii, astrofizycy walczyli o prawidłowe odtworzenie pozycji i jasności obrazów z wieloma soczewkami. W tych badaniach zakłada się, że gęstość ciemnej materii zmniejsza się płynnie na zewnątrz od centrów galaktyk, zgodnie z teoretycznymi symulacjami wykorzystującymi ultramasywne cząstki.
Rozpoczęte również w latach 70., ale w dramatycznym przeciwieństwie do WIMP, wersje teorii, które mają na celu naprawienie braków w Modelu Standardowym lub te (np. teoria strun), które starają się zjednoczyć cztery podstawowe siły natury (trzy w Model wraz z grawitacją) opowiadają się za istnieniem cząstek ultralekkich. Określane jako aksjony, przewiduje się, że te hipotetyczne cząstki będą znacznie mniej masywne niż nawet najlżejsze cząstki w Modelu Standardowym i stanowią alternatywnego kandydata na ciemną materię.
Zgodnie z teorią mechaniki kwantowej ultralekkie cząstki przemieszczają się w przestrzeni jako fale, interferując ze sobą w tak dużych ilościach, że powodują przypadkowe fluktuacje gęstości. Te przypadkowe fluktuacje gęstości w ciemnej materii powodują zmarszczki w czasoprzestrzeni. Jak można się było spodziewać, różne wzorce czasoprzestrzeni wokół galaktyk w zależności od tego, czy ciemna materia to ultramasywne, czy ultralekkie cząstki – gładkie czy pomarszczone – powinny powodować różne pozycje i jasność dla wielosoczewkowych obrazów galaktyk tła.
W pracy prowadzonej przez Alfreda AMRUTH, doktoranta z zespołu dr Jeremy’ego LIM w HKU, astrofizycy po raz pierwszy obliczyli, w jaki sposób obrazy z soczewkami grawitacyjnymi generowane przez galaktyki zawierające ultralekkie cząstki ciemnej materii różnią się od obrazów zawierających ultramasywne cząstki ciemnej materii.
Ich badania wykazały, że ogólny poziom rozbieżności stwierdzony między obserwowanymi i przewidywanymi pozycjami, a także jasność wielosoczewkowych obrazów generowanych przez modele zawierające ultramasywną ciemną materię można rozwiązać, przyjmując modele zawierające ultralekkie cząstki ciemnej materii. Ponadto pokazują, że modele zawierające ultralekkie cząstki ciemnej materii mogą odtwarzać obserwowane pozycje i jasność obrazów galaktyk z wieloma soczewkami, co jest ważnym osiągnięciem, które ujawnia bardziej pomarszczoną niż gładką naturę czasoprzestrzeni wokół galaktyk.
„Możliwość, że ciemna materia nie zawiera ultramasywnych cząstek, jak od dawna popiera społeczność naukowa, łagodzi inne problemy zarówno w eksperymentach laboratoryjnych, jak iw obserwacjach astronomicznych” – wyjaśnia dr Lim. „Eksperymenty laboratoryjne zakończyły się wyjątkowo niepowodzeniem w znalezieniu WIMP, od dawna ulubionego kandydata na ciemną materię. Takie eksperymenty są na końcowym etapie, a ich kulminacją jest planowany eksperyment DARWIN, w którym WIMP-y nie mają gdzie się ukryć, jeśli nie zostaną znalezione (zob. uwaga 2).
Profesor Tom BROADHURST, profesor Ikerbasque na Uniwersytecie Kraju Basków, profesor wizytujący w HKU i współautor artykułu, dodaje: „Jeśli ciemna materia składa się z cząstek ultramasywnych, to zgodnie z symulacjami kosmologicznymi powinno ich być setki galaktyki satelitarne otaczające Drogę Mleczną. Jednak pomimo intensywnych poszukiwań do tej pory odkryto tylko około pięćdziesięciu. Z drugiej strony, jeśli ciemna materia składa się z cząstek ultralekkich, to teoria mechaniki kwantowej przewiduje, że galaktyki poniżej określonej masy po prostu nie mogą się uformować z powodu interferencji fal tych cząstek, co wyjaśnia, dlaczego obserwujemy brak małych galaktyk satelitarnych wokół Droga Mleczna.’
„Włączenie ultralekkich, a nie ultramasywnych cząstek do ciemnej materii rozwiązuje jednocześnie kilka długotrwałych problemów zarówno w fizyce cząstek elementarnych, jak i astrofizyce” — powiedział Amruth Alfred — „Osiągnęliśmy punkt, w którym należy ponownie rozważyć istniejący paradygmat ciemnej materii. Pożegnanie z ultramasywnymi cząstkami, które od dawna są ogłoszone jako preferowany kandydat na ciemną materię, może nie być łatwe, ale gromadzi się dowody przemawiające za tym, że ciemna materia ma właściwości falowe, jakie posiadają cząstki ultralekkie”. Pionierska praca wykorzystała superkomputery w HKU, bez których ta praca nie byłaby możliwa.
Współautor, profesor George SMOOT, dodał: „Zrozumienie natury cząstek składających się na ciemną materię to pierwszy krok w kierunku Nowej Fizyki. Ta praca toruje drogę do przyszłych testów falopodobnej ciemnej materii w sytuacjach związanych z soczewkowaniem grawitacyjnym. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba powinien odkryć o wiele więcej systemów soczewkowanych grawitacyjnie, co pozwoli nam przeprowadzić jeszcze dokładniejsze testy natury ciemnej materii”.
Uwagi: 1. Model Standardowy Fizyki Cząstek jest teorią opisującą trzy z czterech znanych oddziaływań podstawowych (elektromagnetyczne, oddziaływania słabe i silne – z wyłączeniem grawitacji) we wszechświecie i klasyfikującą wszystkie znane cząstki elementarne. Chociaż Model Standardowy odniósł ogromny sukces, niektóre zjawiska pozostają niewyjaśnione – np. istnienie cząstek, które oddziałują ze znanymi cząstkami w Modelu Standardowym tylko poprzez grawitację – i nie jest kompletną teorią oddziaływań fundamentalnych.