tajemnice kosmosu



kłopoty z ciemną materią




Jedną z największych tajemnic naukowych zaprzątających umysły astronomów jest ciemna materia i jej wpływ na kształt Wszechświata. Chociaż jest jej pięć razy więcej od zwykłej materii (protonów, neutronów, elektronów itp.), oddziaływuje grawitacyjnie, to jednak przez specyficzne właściwości - nie emituje ani nie pochłania światła - jest niezwykle trudna do wykrycia. Nie możemy jej zobaczyć, ocenić struktury ani rozmieszczenia we Wszechświecie, a jednak...
Nasz dom, Ziemia, znajduje się w jednym z ramion Drogi Mlecznej, która jest galaktyką spiralną (strukturalnie podobną do wiatraka) o gęstym jądrze z supermasywną czarną dziurą, poprzeczką (rozciągniętym wybrzuszeniem) i sferoidalnym halo złożonym ze starych gwiazd otaczających galaktykę. I jeśli ktoś wyobraża ją sobie jako płaski dysk, to szczerze się rozczaruje. Obrazowo Drogę Mleczną można przedstawić jako starą, rozgrzaną płytę, powyginaną na brzegach. Mało tego - z jednej strony grubszą. Układ taki nie jest stabilny - nasza galaktyka "żyje". Efekt wygięcia zewnętrzych części Drogi Mlecznej jest znany od ponat pięćdziesięciu lat, lecz dopiero stosunkowo niedawno powrócono do tego zagadnienia, biorąc pod uwagę "wkład" ciemnej materii w jej budowę.
Chociaż centrum Galaktyki jest zagęszczone od gwiazd, to w odległości ponad 50 tyś. lat świetlnych w dysku napotykamy już tylko sporadycznie gwiazdy i powszechny wodór atomowy, który nie leży w płaszczyźnie dysku, lecz podlega wyciągnięciu - im dalej, tym silniej. W odległości ok 75 tyś. lat świetlnych od centrum wygięcie to osiąga ok. 7500 lat świetlnych w stosunku do płaszczyzny dysku. Poprzez setki milionów lat dochodzi do oscylacji tego gazu nad i pod płaszczyzną galaktyczną.
W 2005r. Leo Blitz (profesor University of California w Berkeley i były dyrektor Radio Astronomy Laboratory) wykazał, iż wygięcie to jest efektem sumy trzech częstotliwości drgań, z których najniższa leży 64 oktawy poniżej środkowego C. Co to może oznaczać?
Ponad pół wieku temu sądzono, iż wygięcie Drogi Mlecznej jest efektem grawitacji Obłoków Magellana. Są one jednak zbyt małe, a ich siły grawitacyjne zbyt słabe, by mogły stanowić wytłumaczenie tego zjawiska. Dopiero po wielu latach dokonano ponownych pomiarów masy Obłoków Magellana i okazało się, iż są one cięższe niż zakładano. Gdy przy tym stwierdzono, że Droga Mleczna zawiera ciemną materię, powstała możliwość rozwiązania zagadki. Otóż wyobraźmy sobie łódź przecinającą spokojną taflę jeziora i analogicznie Obłoki Magellana przecinające halo z ciemnej materii. Podobnie jak łódź tworzy kilwater, tak Obłoki zaburzają rozkład ciemnej materii, która wywołuje wibracje zewnętrznych części galaktyki, wzmacniając siłę oddziaływania Obłoków. A zatem w tym przypadku ciemna materia działa jak wzmacniacz.
Leo Blitz wraz z Martinem D. Weinbergiem z University of Massachusetts w Amherst stworzyli teorię trzech modów wibracji gazowego dysku, z której wynika, iż na wygięcie Drogi Mlecznej mają wpływ ruchy orbitalne Obłoków Magellana, powodując ich dynamiczny charakter.
Jeśli nawet wyjaśnimy w ten sposób wygięcie dysku, to jak tłumaczyć różnice grubości zewnętrznego dysku gazowego? Dzięki radioteleskopom stwierdzono proporcje grubości przeciwległych brzegów dysku ok. 1:2. Tak niestabilna asymetria w naturze powinna zostać zniwelowana, a jednak... Zagadnienie to jest znane już od 30 lat, lecz dopiero niedawno naukowcy się nim zajęli. Od dawna uważano, iż Droga Mleczna i jej halo powstały równocześnie, ze wspólnym środkiem zwykłej i ciemnej materii. Jednak według naukowców asymetryczność grubości zewnętrznego dysku można tłumaczyć albo asymetrycznością halo ciemnej materii, albo niekoncentrycznością Drogi Mlecznej w halo ciemnej materii. Zatem bez względu na to, która z teorii jest prawdziwa, jest równocześnie zaprzeczeniem równoczesnego powstania naszej Galaktyki i jej halo - brak wspólnego środka. Gaz, gwiazdy i ciemna materia zachowują się inaczej, co skłania do twierdzenia, iż Droga Mleczna powstała w skutek pochłaniania gazu międzygalaktycznego lub w procesie łączenia się mniejszych jednostek.
W zewnętrznych obszarach Drogi Mlecznej spotykamy karłowate galaktyki sferoidalne, zacieśniające swe orbity i wchodzące w strefę oddziaływania sił pływowych Drogi Mlecznej, aż zostają rozciągnięte i stają się cienką wstęgą. Ponieważ takie gwiazdy okrążają Galaktykę w dużych odległościach, gdzie poddawane są dużemu oddziaływaniu grawitacji ciemnej materii, kształty ich strug są czułe na kształt halo. Obserwowane strugi są bardzo cienkie z orbitami wokółgalaktycznymi zbliżonymi do kół wielkich, co zaprzecza niesferyczności halo.
Ciemna materia, zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy, tworząc skupiska, zbierając gwiazdy i gazy, tworzy galaktyki i ich widome części. W ten sposób powstają takie galaktyki jak nasza, ale również galaktyki karłowate. Jednak zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy jesteśmy w stanie zaobserwować znacznie mniej galaktyk, niż wynikałoby to z obliczeń.
Stosunkowo niedawno, dzięki analizie Sloan Digital Sky Survey odkryto niezwykle słabe galaktyki okrążające Drogę Mleczną. Niektóre z nich (ultrasłabe karły) zawierają zaledwie po kilkaset gwiazd. By je dostrzec, potrzebne są specjalne metody redukcji danych, a i tak możliwe jest zaobserwowanie takich obiektów jedynie do 150 tys. lat świetlnych od nas. Erik Tollerud z University of California w Irwine i jego współpracownicy uważają, że aż 500 nieodkrytych wciąż galaktyk krąży wokół Drogi Mlecznej w odległości do miliona lat świetlnych od centrum. Inna teoria stawia na galaktyki ciemniejsze od ultrasłabych karłów, zbudowane prawie wyłącznie z ciemnej materii i niezawierające gwiazd. Być może zawierają one gaz, lecz zbyt rozrzedzony, by mogły z niego powstać gwiazdy. Być może jest to prawidłowa teoria, tłumacząca gdzie się podziały setki galaktyk, które powinny krążyć wokół Drogi Mlecznej. Ale jak to sprawdzić, jeśli np. ciemne galaktyki nie zawierają gazu? Wówczas jedynym możliwym potwierdzeniem takiej galaktyki może się okazać obserwacja wpływu oddziaływania grawitacyjnego na zwykłą materię. Wyobraźmy sobie wrzucenie kamyka w spokojną taflę jeziora i powstałe w wyniku tego zmarszczki wody. Podobny ślad wśród zwykłej materii powinna pozostawić przemykająca np. przez Drogę Mleczną ciemna galaktyka, zaburzając prędkości lub położenie gwiazd i gazu. Jednak jest to prawie niemożliwe do zaobserwowania, biorąc pod uwagę, iż podobne zaburzenia występują we wszystkich dyskach galaktyk spiralnych w rozkładzie atomowego wodoru.
Metodę wykrywania dużych ciemnych galaktyk opracowali Sukania Chakrabarti z Florida Atlantic University ze współpracownikami. Jeśli taka galaktyka posiada masę co najmniej jednej tysięcznej masy większej galaktyki, to przelatując obok innych galaktyk powoduje zaburzenia zewnętrznych obszarów tych galaktyk, wywołane przez siły pływowe. Stosując właśnie tę metodę zespół ten stwierdził, iż prawdopodobnie nieznana ciemna galaktyka czai się w płaszczyźnie Drogi Mlecznej ok. 300 tys. lat świetlnych od jej środka. Z ciemnymi galaktykami jest jeszcze inny problem. Otóż zwyczajowo względne ilości materii zawartej w galaktyce określa się stosunkiem masy do jasności (jednostki słoneczne). W przypadku Drogi Mlecznej liczba ta oscyluje ok. 30. Josh Simon z Carnegie Institution of Washington i Marla Geha z Yale University zmierzyli prędkość gwiazd ośmiu ultrasłabych karłów i w kilku przypadkach stosunek masa/jasność wyniósł powyżej 1000, co przewyższa wartości wszelkich obiektów znanego nam Wszechświata.
Przypomnijmy, iż w całym Wszechświecie stosunek ciemnej materii do zwykłej wynosi 5. Skąd więc taka rozbieżność?
Astronomowie uważają, iż znaczne ilości zwykłej materii nie promieniują wystarczająco, by można było je dostrzec: albo nigdy nie uformowała galaktyk, albo została wyrzucona w przestrzeń międzygalaktyczną, gdzie przebywa w stanie zjonizowanym. Tak czy inaczej, problem sprowadza się do tego, iż jest niewykrywalna przez dzisiejsze teleskopy.
Jak więc z tego wynika, problemy z ciemną materią są źródłem problemów ze zwykłą materią.





góra  strony...





Dorota Kuryło