Zagadka ciemnej materii może zostać rozwiązana w zaledwie 10 sekund. Potrzebna jest supernowa

Spis treści:

1. Czym są ciemna energia i ciemna materia?
2. Eksplozja supernowej
3. Kosmiczny Teleskop Fermiego
4. 10 sekund dla aksjonów

Gdy w możliwie bliskim nam kosmosie umierająca gwiazda zakończy życie w spektakularnej eksplozji supernowej, każdy teleskop promieniowania gamma będzie skierowany w jej kierunku. Nie tylko dlatego, że to niezwykłe i nieczęste dla nas zjawisko. Ale też dlatego, że eksplozja może szybko potwierdzić istnienie jednego z najbardziej obiecujących kandydatów na ciemną materię. Tak twierdzą autorzy artykułu opublikowanego niedawno na łamach „Physical Review Letters”.

Zacznijmy od tego, co oznacza termin ciemna materia i skąd się wziął. Wszystko rozpoczęło się w 1933 roku, gdy szwajcarski astronom Fritz Zwicky, jako pierwszy zasugerował istnienie „ciemnej materii” (ang. dark matter). Badał wóczas gromadę galaktyk w Komie i zauważył, że galaktyki w tej gromadzie poruszają się zbyt szybko, jak na ilość widocznej materii. Wysunął hipotezę, że musi istnieć niewidzialna materia, której grawitacja trzyma gromadę razem.

Czym są ciemna energia i ciemna materia?

W latach 70. ubiegłego wieku Vera Rubin i Kent Ford, badając krzywe rotacyjne galaktyk spiralnych, odkryli, że prędkość obrotu gwiazd w zewnętrznych częściach galaktyk nie spada, jak oczekiwano. To również wskazywało na obecność niewidzialnej masy. Ale ciemna materia to jeszcze nie wszystko. Należy do niej dołączyć tzw. ciemną energię.

Hipoteza o istnieniu ciemnej energii (ang. dark energy) pojawiła się w 1998 roku jako wynik obserwacji odległych supernowych typu Ia, prowadzonych przez dwa niezależne zespoły (Supernova Cosmology Project i High-Z Supernova Search Team). Zauważyli oni, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. To wymagało wprowadzenia niewidzialnej energii o działaniu przeciwnym do grawitacji.

We Wszechświecie ciemna materia stanowi znaczną część jego masy-energii. Według obecnych modeli kosmologicznych, bazujących na obserwacjach takich jak promieniowanie tła, struktury wielkoskalowe i supernowe typu Ia, skład Wszechświata wygląda następująco:

• ciemna materia: około 27% całkowitej energii Wszechświata.
• ciemna energia: około 68%.
• zwykła materia (baryonowa): około 5%.

To oznacza, że ciemnej materii jest ponad pięć razy więcej niż zwykłej materii, z której zbudowane są gwiazdy, planety, a także my sami.

Eksplozja supernowej

Ciemna materia nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, co czyni ją niezwykle trudną do bezpośredniej detekcji. Jej obecność wywnioskowano na podstawie jej wpływu grawitacyjnego na widzialną materię, światło i strukturę Wszechświata.

Jednak astrofizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley sądzą, że to badanie supernowych przyniesie nam więcej danych. Przewidują oni, że w ciągu pierwszych 10 sekund supernowej może zostać wyemitowana wystarczająca ilość hipotetycznych cząstek zwanych aksjonami, aby udowodnić ich istnienie w mgnieniu oka.

Aksjony – hipotetycznie – są niezwykle lekkie, neutralne elektrycznie i bardzo słabo oddziałują z innymi cząstkami, co czyni je trudnymi do wykrycia. Są też kandydatami na cząstki ciemnej materii, ponieważ mogą tworzyć zimne, niewidzialne halo wokół galaktyk, zgodnie z obserwacjami.

Kosmiczny Teleskop Fermiego

Detekcja aksjonów podczas bliskiego zapadnięcia się gwiazdy byłaby jak wygrana na loterii. Wymaga to posiadania teleskopu promieniowania gamma, który w odpowiednim momencie będzie spoglądał w pobliże takiej eksplozji. Obecnie zadanie to spoczywa wyłącznie na Kosmicznym Teleskopie Fermiego, który wciąż ma tylko 1 na 10 szans na uchwycenie pokazu.

Dlatego naukowcy proponują uruchomienie GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS), czyli floty satelitów promieniowania gamma, które mogą obserwować całe niebo przez cały czas. Wykrycie lub brak aksjonów podczas supernowej może być równie cennym wynikiem, ale jest na to czas.

– Byłoby naprawdę szkoda, gdyby supernowa wybuchła jutro, a my stracilibyśmy okazję do wykrycia aksjonu. Może on nie powrócić przez kolejne 50 lat – przekonuje Benjamin Safdi, profesor fizyki na UC Berkeley.

Zdaniem badaczy niektóre właściwości aksjonów – takie jak sposób, w jaki zlepiają się razem i oddziałują głównie z inną materią poprzez grawitację – sprawiają, że są one dobrym kandydatem na ciemną materię. Co najważniejsze, jedna z przewidywanych właściwości może sprawić, że będą one wykrywalne.

Otóż w silnych polach magnetycznych aksjony powinny czasami rozpadać się na fotony, więc wykrycie dodatkowego światła w pobliżu tych pól mogłoby je zdradzić. Przez dziesięciolecia było to podstawą eksperymentów laboratoryjnych i obserwacji astronomicznych, co pozwoliło naukowcom ograniczyć zakres mas, jakie mogą mieć aksjony. Wszystko wskazuje na to, że optymalnym miejscem do szukania aksjonów jest gwiazda neutronowa.

10 sekund dla aksjonów

W nowej pracy zespół z UC Berkeley oblicza, że najlepszym momentem na znalezienie aksjonów wokół gwiazdy neutronowej mogą być jej narodziny. Wtedy masywna gwiazda eksploduje jako supernowa. Nowe symulacje sugerują, że wyrzut aksjonów miałby miejsce w ciągu pierwszych 10 sekund po zapadnięciu się gwiazdy. Powstały w ten sposób rozbłysk gamma mógłby ujawnić wiele szczegółów.

Zespół obliczył, że określony typ aksjonów, zwany aksjonem chromodynamiki kwantowej (QCD), byłby wykrywalny za pomocą tej metody, gdyby miał masę wyższą niż 50 mikroelektronowoltów. To stanowi zaledwie jedną 10-miliardową masy elektronu.

Jeśli aksjony okażą się istnieć, mogą być jednymi z najbardziej poręcznych małych cząstek, jakie kiedykolwiek znaleziono. Za jednym zamachem mogłyby one pomóc nam odblokować ciemną materię, silny problem CP, teorię strun i nierównowagę między materią a antymaterią.

Hipoteza jest gotowa do przetestowania. Teraz musimy tylko poczekać do następnej pobliskiej supernowej. Może się to wydarzyć dzisiaj lub za kolejną dekadę, a jeśli Fermi będzie obserwował odpowiedni skrawek nieba, w ciągu kilku sekund będziemy mogli odpowiedzieć na niektóre z najbardziej zasadniczych pytań nauki.

– Najlepszym scenariuszem dla aksjonów jest to, że Fermi złapie supernową – mówi Safdi. – Szansa na to jest niewielka. Ale gdyby Fermi ją zobaczył, bylibyśmy w stanie zmierzyć jej masę, siłę jej oddziaływania i określić wszystko, co musimy wiedzieć o aksjonie. I bylibyśmy niezwykle pewni sygnału, ponieważ nie ma zwykłej materii, która mogłaby stworzyć takie zdarzenie – dodaje astrofizyk.

Źródła: Supernova Axions Convert to Gamma Rays in Magnetic Fields of Progenitor Stars | Phys. Rev. Lett.

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.