În articolul de azi vom aborda un subiect la modă în lumea pasionaţilor de fizică ori astronomie, dar un subiect care se referă la "partea întunecată" a Universului, adică la materia întunecată. Ce reprezintă această misterioasă componentă a Universului şi de ce ar trebui să fim interesaţi de ea?

 



Întrebarea la care voi încerca să răspund este următoarea: „Este materia/energia întunecată necesară pentru a explica Universul, aşa cum îl vedem sau reprezintă materia/energia întunecată o eroare observaţională? Am văzut că există şi puncte de vedere care pun sub semnul întrebării necesitatea de a utiliza materia întunecată şi vreau să întreb dacă aceste idei sunt acceptate sau nu".

Am scris articole înainte de a vorbi despre materia întunecată şi aproape întotdeauna primesc fel de fel de comentarii care îi acuză pe fizicieni că ar fi leneşi, încăpăţânaţi şi că ar fi nişte intelectuali necinstiţi. Materia întunecată ar fi doar un fel de născocire ridicolă necesară pentru a explica ignoranţa noastră în ceea ce priveşte Universul.

Să ne întoarcem puţin în trecut. În anii 1920, astronomul Fritz Zwicky a constatat că galaxiile se deplasează în cadrul clusterelor galactice atât de repede că dacă nu ar exista o cantitate mare de materie, care nu se prezintă sub forma stelelor sau a gazului, clusterele s-ar dezintegra. Vera Ruben a demonstrat în anul 1970 prezenţa acestei caracteristici şi în cazul galaxiilor individuale. Printr-o estimare s-a dedus că 85% din toată materia din Univers se află sub forma materiei întunecate.

 

 

Astăzi se consideră că la nivelul Universului, materia obişnuită reprezintă 5% din energia totală, materia întunecată reprezintă aproximativ 25% din energia totală, iar energia întunecată constituie aproximativ 70% din energia totală.

Acum nu vă voi vorbi despre energia întunecată. Ea este cea care determină expansiunea accelerată a Universului şi dacă se întâmplă să credeţi că avem o problemă cu materia întunecată, aşteptaţi să vedeţi ce presupune energia întunecată. Aici nu este vorba că nu am înţelege de unde provine energia întunecată, ci doar că valoarea „naturală" (cea care a fost stabilită ca urmare a unor ipoteze rezonabile ce s-au bazat pe energia vidului) este de aproximativ 10100 ori mai mare decât valoarea calculată pe baza datelor observaţionale. Aceasta este cea mai mare problemă din fizica actuală.

Tot ce ştim cu certitudine despre această materie întunecată este indicat în numele său. Ea nu are sarcină electrică (lumina interacţionează puternic cu particulele încărcate electric, aşa că ar fi fost uşor să o observăm) şi nu este compusă din atomi, deoarece aceştia sunt, de asemenea, relativ uşor de observat. Motivul pentru care unii oameni sunt atât de dezinteresaţi de materia întunecată este cauzat de faptul că aceştia se bazează pe argumente de acum 90 de ani. Ei sunt sceptici cu privire la existenţa materiei întunecate deoarece noi nu am reuşit să identificăm particulele din care este formată ea şi pentru că nu suntem chiar siguri ce reprezintă ea.

 


Sistemul galactic "Bullet Cluster"

 

Dar există o mulţime de motive ce ne fac să credem în existenţa materiei întunecate, în afară de dovada evidentă (şi a naibii de convingătoare, dacă mă întrebaţi pe mine) a faptul că în lipsa ei galaxiile s-ar dezintegra. Iată care ar fi cele mai bune motive:

1. Lentila gravitaţională

Razele de lumină sunt deviate atunci când trec pe lângă obiectele masive. Putem folosi imaginile distorsionate ale galaxiilor din fundal pentru a face hărţi ale distribuţiei masei. Determinarea distribuţiei masei pe baza fenomenului de lentilă gravitaţională a identificat o cantitate mare de masă suplimentară pentru o mulţime de clustere galactice, dar un anumit sistem galactic a captat atenţia în mod special. În imaginea de mai sus se prezintă sistemul galactic denumit „Bullet Cluster" în care două clustere galactice s-au ciocnit recent unul de altul ceea ce a provocat împrăştierea gazului existent (care este arătat în culoarea roşie). Culoarea albastră indică zonele unde lentila gravitaţională a arătat prezenţa masei. Indiferent din ce ar fi compusă, aceasta ea nu se prezintă nici sub formă de gaz şi nici sub formă de stele. Această imagine reprezintă cea mai bună posibilitate prin care putem „vedea" materia întunecată în prezent.

Lentila gravitaţională joacă un rol dublu în problema materiei întunecate. Noi putem folosi un efect diferit numit „microlentilă" pentru a căuta stele întunecate (sau găuri negre, probabil) din galaxia noastră. Ori de câte ori una dintre acestea trece prin faţa unei stele mai îndepărtate, imaginea acesteia se măreşte. Este o idee interesantă, dar noi acum putem afirma că galaxia noastră (şi probabil multe altele) nu este umplută cu destule găuri negre pentru a rezolva problema materiei întunecate.

2. Big Bang

Chiar de credeţi că există această masă lipsă, asta nu înseamnă obligatoriu că materia întunecată este o formă de materie exotică. Poate că ea reprezintă materie obişnuită pe care, dintr-un anumit motiv, nu o vedem. În prezent noi am reuşit să înţelegem foarte bine modul prin care elementele uşoare au fost create în timpul Big Bangului. Chimia acestui proces este atât de simplă încât, de fapt, noi putem determina densitatea materiei atomice din Univers. De exemplu, în cazul în care toată materia din Univers ar fi fost de tipul materiei obişnuite, atunci noi am obţine o cantitate de deuteriu de o mie de ori mai mică decât cea pe care o observăm în prezent.

3. Precedentul istoric

Dacă sunteţi descurajaţi de faptul că noi nu am descoperit încă o particulă a materiei întunecate, încercaţi să fiţi optimişti. Rutherford a prezis neutronul (care este, de asemenea, o particulă neutră din punct de vedere electric şi, în consecinţă, dificil de detectat) în anul 1920, cu 12 ani înainte de a fi descoperit. Dirac a prezis existenţa antimateriei cu 27 de ani înainte ca aceasta să fie detectată. Pauli a prezis existenţa neutrinului în anul 1930, cu 26 de ani înainte de a fi descoperit. Avem astfel un precedent istoric foarte bun ceea ce ne încurajează să credem că ne putem da seama de ceea ce poate exista acolo cu mult timp înainte de a putea face observaţii directe asupra materiei întunecate. Şi noi avem unele idei bune cu privire la aceasta. Nu aş fi surprins dacă acceleratorul de particule LHC sau un alt experiment să detecteze „cele mai uşoare particule supersimetrice" care ar fi cele mai bune candidate teoretice pentru materia întunecată. De asemenea, nu aş fi surprins dacă aceasta se va dovedi a fi cu totul altceva.

Şi asta nu e tot. Imaginea noastră cosmologică, inclusiv în ceea ce priveşte proporţia exactă a materiei întunecate în Univers, se potriveşte foarte bine cu conceptul de materie întunecată şi explică totul, de la distribuţia zonelor calde şi întunecate din radiaţia cosmică de fond până la vârsta Universului şi evoluţia sau structura galaxiilor. Şi toate acestea nu pot funcţiona fără existenţa materiei întunecate.

Cel puţin unul dintre voi ar putea să afirme că teoria MOND (Modified Newtonian Dynamics) ar putea elimina necesitatea de a utiliza materia întunecată. Este ca şi cum aţi întreba: cum ar fi dacă Einstein a greşit? Desigur, există şi această posibilitate, caz în care unul sau două dintre argumentele noastre (dar nu toate dintre ele) vor trebui reanalizate. Cu toate acestea teoria MOND trebuie să depăşească un obstacol foarte important: trebuie să explice toate cazurile în care teoria relativităţii s-a dovedit corectă şi abia apoi să încerce să explice lucrurile neînţelese în prezent. Eu oricând îmi voi paria banii pe materia întunecată şi relativitatea generală.



Traducere de Cristian-George Podariu după ask-a-physicist-why-believe-in-dark-matter