Problem z poznaniem ciemnej materii, której w naszym otoczeniu jest więcej niż zwykłej materii wynika z tego, że nie emituje ona, nie pochłania, ani nie odbija żadnego promieniowania elektromagnetycznego. Światło nie ma na nią absolutnie żadnego wpływu. O jej istnieniu jak dotąd wiemy tylko i wyłącznie dzięki efektom grawitacyjnym. Gdyby ciemna materia nie istniała, nie dałoby się wytłumaczyć obserwowanego tempa rotacji galaktyk. Gdyby nie było w nich ciemnej materii, uległyby one rozerwaniu. Analogicznie, ruch galaktyk w gromadach galaktyk da się wyjaśnić tylko po uwzględnieniu dodatkowej masy, za którą odpowiada całkowicie niewidoczna materia. Świadomość tego, że nie wiemy nic o 85 proc. otaczającej nas materii skutecznie leczy nas z mylnego wrażenia, że wiemy już wszystko. Nauka wciąż jest dopiero na początku swojego rozwoju.
Czytaj także: Oto najstarsza ciemna materia, jaką zobaczył człowiek. Jest dowodem na coś ważnego o początku Wszechświata
Wszystkie dotychczasowe eksperymentalne próby wykrycia cząsteczek ciemnej materii w warunkach laboratoryjnych spełzły na niczym. Na przestrzeni lat naukowcy podejrzewali, że ową fundamentalną cząstką ciemnej materii może być stosunkowo ciężka cząstka WIMP (słabo oddziałująca masywna cząstka) lub ultralekka cząstka zwana aksjonem. O ile WIMPy miałyby się zachowywać jak zwykłe cząstki, o tyle aksjony miałyby naturę przypominającą fale.
Jesteśmy o krok bliżej odpowiedzi na pytanie o to, czym jest ciemna materia
W najnowszym artykule opublikowanym w periodyku Nature Astronomy przez astronomów z Uniwersytetu w Hongkongu podjęto próbę ustalenia, czy ciemna materia ma naturę bardziej falową, czy jednak składa się z dyskretnych cząstek. W tym celu wykorzystano zjawisko grawitacyjnego zakrzywiania promieni emitowanych przez odległe gwiazdy i galaktyki.
Ciemna materia deformuje obraz odległych galaktyk
Opracowana przez Alberta Einsteina Ogólna teoria względności mówi, że obiekty posiadające masę zakrzywiają czasoprzestrzeń w swoim bezpośrednim otoczeniu. Z tego też powodu kiedy astronomowie spoglądają na odległą masywną galaktykę, czasami w jej otoczeniu widzą zniekształcony obraz innej galaktyki znajdującej się daleko za nią. Promienie światła od owej dalszej galaktyki są zakrzywiane przez grawitację bliższej. Zjawisko to nosi nazwę soczewkowania grawitacyjnego. Gdy galaktyki mają odpowiednie rozmiary i masę, obraz dalszej z dwóch galaktyk może zostać rozciągnięty w pierścień otaczający bliższą z nich, tzw. pierścień Einsteina. Badając szczegółowo takie zniekształcone obrazy, naukowcy mogą odtworzyć kształt halo ciemnej materii otaczającego bliższą z galaktyk.
Takim właśnie obrazom przyjrzeli się autorzy z Hong Kongu. Szczególną uwagę położyli na analizę obiektu skatalogowanego pod numerem HS 0810+2554. Naukowcy stworzyli dwa modele owej soczewki. W jednym z nich założyli, że ciemna materia składa się z cząstek WIMP, a w drugim z aksjonów, a następnie porównali z faktycznym obrazem pozyskanym w trakcie obserwacji. Okazało się, że model zakładający, że ciemna materia zbudowana jest z cząstek WIMP nie zgadza się z obserwacjami. Co ciekawe, model oparty o aksjony odzwierciedlał wszystkie cechy obserwowanego obrazu.
Czytaj także: Jak wykryć ciemną materię? Użyjmy do tego gwiazd neutronowych, proponują naukowcy
Ten konkretny eksperyment wskazuje zatem na to, że ciemna materia może składać się z aksjonów. Naukowcy wskazują jednak na to, że nie jest to pierwszy taki wynik. Już wcześniej prowadzone badania wskazywały na to samo, niezależnie od tego czy badano wpływ ciemnej materii na kosmiczne promieniowanie tła, czy też zachowanie ciemnej materii w galaktykach karłowatych. Nowe badania jedynie bardziej skłaniają naukowców do skupienia się na badaniu aksonów. Możliwe, że w dalszych badaniach soczewek grawitacyjnych uda się wykonać pomiary pozwalające nałożyć jakieś ograniczenia na masę aksjonów. To wszystko z czasem powinno nas doprowadzić do poznania prawdziwej natury ciemnej materii, tej, która odpowiada za 85 proc. materii we wszechświecie. Wypadałoby, abyśmy coś w końcu o niej wiedzieli.