De ce nu putem vedea materia întunecată?

Pentru fiecare atom din Univers care formează stelele, planetele sau gazele, există de peste cinci ori mai multă așa-numita materie întunecată. Fizicienii sunt foarte încrezători că aceasta există, dar nu o pot localiza și nici măcar nu pot determina ce o compune. Dar de ce nu putem vedea materia întunecată?

Nu vom ști motivele exacte pentru care este atât de greu de observat până când nu vom răspunde la întrebarea ce este materia întunecată, dar asta nu înseamnă că nu știm nimic.

De unde știm că materia întunecată este reală

Viteza cu care obiectele orbitează unele în jurul altora depinde de distanța dintre ele, dar și de masa lor. Știm cât de greu este Soarele observând viteza cu care Pământul și alte planete se învârt în jurul său. Lucrurile devin mai complexe atunci când masa care controlează viteza orbitală este împrăștiată, mai degrabă decât într-un singur punct, dar fizicienii au devenit foarte buni la rezolvarea acestor tipuri de probleme.

Prin urmare, atunci când ne uităm la vitezele cu care orbitează stelele din galaxiile din apropiere sau la viteza cu care se deplasează galaxiile de la marginea unor roiuri galactice gigantice, știm câtă masă determină această mișcare.^[sursa]

Cu toate acestea, atunci când astronomii încearcă să estimeze numărul de stele din acele galaxii și masele lor medii, cifrele nu se potrivesc. Stelele vizibile nu oferă nici pe departe o masă suficientă pentru a se potrivi cu efectele pe care le au asupra obiectelor de la margini. Estimările privind masa stelară pot fi aproximative – nu putem număra fiecare stea, dar discrepanța este mult prea mare pentru a fi o simplă eroare de calcul.

O minoritate restrânsă de oameni de știință explică acest lucru argumentând că gravitația funcționează diferit la scară mare față de modelele noastre, care se bazează pe mișcările planetelor și ale sateliților din cadrul sistemului solar. O versiune a acestei idei a primit multă publicitate, dar majoritatea fizicienilor o consideră, în cel mai bun caz, improbabilă.

Aproape sigur atunci există ceva care are o masă mare, suficient de mare pentru a deforma spațiu-timpul în moduri care afectează mișcările tuturor celorlalte lucruri, dar pe care noi nu îl putem vedea: cu alte cuvinte, materia întunecată.

Lentilele gravitaționale oferă și mai multe dovezi. Vedem galaxii care curbează lumina de la obiecte mai îndepărtate, iar acestea o curbează mult mai mult decât pot explica stelele vizibile.

Odată ce s-a ajuns la un acord general cu privire la existența materiei întunecate, a început căutarea pentru a-i identifica natura. În acel moment, singurele lucruri pe care le știam erau că materia întunecată produce efecte gravitaționale – adică că are masă – și că nu poate fi văzută, cel puțin cu instrumentele pe care le aveam.

Motivul pentru care nu putem vedea materia întunecată depinde de ceea ce este aceasta

Inițial, două explicații concurente erau populare. Una propunea că materia întunecată era formată din obiecte mari care nu emiteau lumină. Acestea ar putea reflecta lumina dacă ar fi poziționate corespunzător, dar nu erau suficient de aproape de stele pentru a reflecta cantități utile. Astronomii și-au imaginat un număr mare de obiecte cu masa lui Jupiter care cutreierau spațiul dintre stele. Aceste obiecte au fost denumite Obiecte compacte masive cu halou (MACHO), halourile fiind aici cele care aparțin galaxiilor.

Principala alternativă era reprezentată de particule subatomice, care, individual, erau ușoare, dar care existau în număr atât de mare încât, în mod colectiv, puteau furniza masa lipsă. Spre deosebire de cele de tip MACHO, acestea au fost denumite WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), cuvântul masiv însemnând aici „are masă”, nu „enorm”, deoarece acestea sunt orice altceva.

Aceste exemple arată clar de ce nu există un răspuns universal la întrebarea „De ce nu putem vedea materia întunecată?”. Dacă materia întunecată este de tip MACHO, nu o putem vedea pentru că nu ne-am apropiat suficient de mult de acest tip de obiect. Dacă este vorba de WIMP-uri, observarea este imposibilă, dar cu ajutorul unui dispozitiv de detectare adecvat am putea confirma existența particulelor.

Ipoteza MACHO nu mai este foarte populară în zilele noastre. O varietate de indicatori ne spun că acest tip de obiecte reprezintă o proporție mică din masa pe care o căutăm, dacă există.

Fără opusul lor, WIMP-urile nu sunt numite atât de mult așa, dar posibilitatea existenței unor particule subatomice despre care nu știm nimic rămâne una vie. Pe măsură ce timpul trece și tot mai mulți candidați pentru particule adecvate sunt excluși, căutarea a devenit puțin frustrantă. Doar după ce vom găsi aceste particule, dacă le vom găsi, vom ști ce le-a permis să ne scape atât de mult timp.

Există câteva categorii de particule subatomice care nu se încadrează în categoria WIMP, dar care ar putea forma materia întunecată, cum ar fi neutrinii grei. Cu toate acestea, răspunsul este același – numai prin determinarea tipului de particulă responsabilă putem spune de ce a fost atât de greu de găsit.

Căutarea materiei întunecate este mult mai mult decât o confruntare între MACHO și WIMP. S-a propus că există mult mai multe găuri negre în zonele exterioare ale galaxiilor decât știm.

Este cunoscut faptul că nu putem vedea găurile negre deoarece gravitația lor este atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa. Din punct de vedere tehnic, acestea se potrivesc pentru a face parte din categoria MACHO, dar sunt considerate ceva diferit.

Găsim găurile negre fie căutând lumina de pe discurile lor de acreție, fie urmărind modul în care acestea aruncă stelele în jurul lor. În părțile exterioare ale galaxiilor, unde stelele sunt puține și materialul pentru a forma discurile de acreție este rar, găurile negre ar putea fi abundente, iar noi nu am ști niciodată.

Există o mulțime de probleme în a explica de unde ar putea proveni aceste găuri negre, motiv pentru care ideea nu s-a dovedit a fi la fel de populară ca unele alternative. Cu toate acestea, pe măsură ce alte posibilități se prăbușesc, aceasta este una care ar putea ieși în evidență, oferind o explicație proprie a motivului pentru care materia întunecată este greu de găsit.