Warto przeczytać

Rozwój technologii w XX wieku pozwolił naukowcom obserwować odległe obiekty, jakimi są galaktyki. To właśnie galaktyki skupiają w sobie wszystkie gwiazdy i znaną materię w innej, bardziej rozproszonej postaci. Pomiędzy galaktykami znajduje się prawie idealna próżnia. W przestrzeni międzygalaktycznej gęstość nie przekracza jednego atomu na metr sześcienny. Dla porównania, próżnia otrzymywana w laboratoriach na Ziemi jest tysiące razy gęstsza. Wieloletnie obserwacje gwiazd w galaktykach dostarczyły informacji sprzecznych ze znanymi prawami fizyki.

REVJxbIvCPdiP

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia Galaktykę spiralną M83. Galaktyka umiejscowiona jest na czarnym tle przestrzeni kosmicznej. W centralnej części ilustracji przedstawiono jasny wir obracający się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Wnętrze wiru stanowi jasny obłok. Ramiona wiru również są jasne. Jasny wir symbolizuje materię składającą się z gwiazd i planet, które obracają się wokół centrum galaktyki.

Obserwując otaczający nas Wszechświat, czyli na przykład dobrze zbadany bliski Układ Słoneczny, zauważamy, że im dalej od Słońca, tym planety okrążają je wolniej. Dzięki prawu powszechnej grawitacji, które odkrył I. Newton, wiemy, że wszystkie ciała mające masę przyciągają się wzajemnie. Siłę wzajemnego przyciągania grawitacyjnego dwóch kulistych ciał o masach m i M, można wyrazić wzorem:

gdzie r oznacza odległość pomiędzy środkami tych ciał, G to stała grawitacji.

W ruchu jednostajnym po okręgu niezbędna jest siła dośrodkowa utrzymująca ciało na orbicie kołowej:

gdzie m to masa ciała na orbicie, v to jego prędkość, a r jest promieniem orbity.

W przypadku ciał na orbitach kołowych, okrążających masywne ciało M, rolę siły dośrodkowej pełni siła grawitacji. Z przyrównania powyższych dwóch wzorów możemy wyznaczyć prędkość:

Z tej zależności wynika, że prędkość jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka z odległości. Zależność ta sprawdza się w przypadku materii świecącej i ciał zwartych takich jak planety, gwiazdy. Jednak galaktyki zachowują się nieco inaczej. Materia obserwowana bezpośrednio, czyli gwiazdy i obiekty odbijające światło i znajdujące się w dysku, powinny obracać się coraz wolniej wraz ze zwiększającą się odległością od centrum galaktyki.

Jednak tak nie jest! – W galaktykach prędkość materii nie spada wraz z odległością, tylko jest stała. Dlaczego? Czyżby w galaktykach nie obowiązywało prawo powszechnej grawitacji? A może stała grawitacyjna nie jest stała? Na chwilę obecną przyjmuje się, że w dysku galaktycznym znajdują się duże ilości ciemnej materii, a także że otacza ona całe galaktyki. Sprawia ona, że obiekty w dysku nie zachowują się tak, jak małe ciała okrążające masywne centrum.

Przyjrzyjmy się Rys. 2. Widoczna na nim górna krzywa jest wynikiem obserwacji rotacji galaktyk. Szacowana na tej podstawie ilość ciemnej materii to 85%. Im dalej od centrum galaktyki, tym różnica pomiędzy obserwowaną a teoretyczną wartością prędkości zwiększa się. Zgodnie z prawami fizyki prędkość obiektów na orbitach galaktycznych, w dyskach galaktyk spiralnych, powinna spadać wraz z odległością od centrum galaktyki. Jednak pozostaje ona stała. Wieloletnie badania setek galaktyk wskazują, że obserwowana przez nas świecąca materia stanowi zaledwie 15% całej masy Wszechświata.

Rx2IPYaxTm9ek

Rys. 2. Ilustracja przedstawia krzywą rotacji galaktyki, czyli zależność wartości prędkości duże V obiektów od odległości duże R  od środka galaktyki. Na czarnym tle przedstawiono z lewej strony centrum galaktyki jako bardzo jasny punkt. Ten punkt stanowi początek układu współrzędnych wykresu, który rozpościera się powyżej (duże V) oraz w prawo (duże R). Na osi poziomej zaznaczono klamrą odległość od początku układu współrzędnych do dysku i podpisano centrum. Na wykresie zilustrowanym białą ciągła linią wykreślono zależność rosnącą gwałtownie od początku układu współrzędnych do dysku. Następnie zależność delikatnie maleje, aż do momentu osiągnięcia stałej wartości prędkości co podpisano wyrażeniem duże V w przybliżeniu równe constans, a biała linię opisano obserwowana prędkość rotacji galaktyki. Drugą zależność oznaczono czerwoną przerywaną linią, maleje ona niemalże do zera od maksimum w obrębie dysku aż do końca wykresu. Opisano ją zależnością duże V proporcjonalne do jeden nad pierwiastek z duże R. Jest to oczekiwana prędkość rotacji wynikająca ze świecącej materii.

Ciemna materia to materia znajdująca się w przestrzeni międzygwiazdowej, która oddziałuje grawitacyjnie, ale nie jesteśmy w stanie jej zaobserwować bezpośrednio. Prawdopodobnie każda galaktyka znajduje się w niewidzialnej „bańce” ciemniej materii o promieniu znacznie większym niż promień danej galaktyki. Gdyby założyć, że istnieje jedynie materia, którą widzimy, to galaktyki bardzo szybko rozpadałyby się, ponieważ świecącej materii jest zbyt mało, aby utrzymać tak ogromną strukturę. Siły przyciągania grawitacyjnego istniejące pomiędzy obiektami obdarzonymi masą  (biorąc pod uwagę tę widzialną jej część) są stanowczo za małe.

Prawdopodobnie ciemna materia jest pozostałością po Wielkim Wybuchu, czyli po początku powstawania Wszechświata. W pierwszych nanosekundach powstawania Wszechświata cząstki anihilowałyanihilacjaanihilowały. Zakłada się, że w pewnym momencie anihilacja zatrzymała się ze względu na zbyt duże odległości pomiędzy pierwotnymi cząsteczkami. Ciemna materia jest być może czymś w rodzaju „zamrożonych” w przestrzeni cząstek, które nie zdążyły zanihilować.

Należy pamiętać, że ciemna materia to coś zupełnie innego niż nieświecące obiekty, takie jak czarne dziury. Różnią się one składem oraz powstawaniem. Mimo to nadal tak do końca nie wiadomo, czym jest ciemna materia. W wielu instytutach cały czas podejmowane są próby stworzenia materii zachowującej się w ten sposób, ale ciągle próby te nie przynoszą efektów.

Słowniczek