De unde ştim că există materia întunecată?

Materia întunecată nu poate fi văzută sau detectată în mod direct cu ajutorul telescoapelor, așa încât de unde știm că aceasta există cu adevărat?

În prezent se crede că energia întunecată, forţa misterioasă care provoacă accelerarea expansiunii Universului, reprezintă 68% din Univers, iar materia întunecată, cea care înconjoară galaxiile şi interacţionează doar gravitaţional, constituie 27% din Univers. Numai 5% din Univers reprezintă materia obişnuită din care sunt formate stelele, planetele sau oamenii.

Haloul de materie întunecată. Credit: Flickr, Chandra X-ray Observatory Center

Materia întunecată a primit acest nume pentru că se pare că nu interacţionează în vreun fel cu materia obişnuită. Ea nu emite și nici nu absoarbe lumină sau alte radiații electromagnetice. Noi nu o putem vedea sau detecta cu ajutorul telescoapelor. Știm doar că există deoarece putem vedea efectele sale gravitaționale.

Aţi putea spune că dacă nu știm ce este materia întunecată și nu o putem detecta, atunci de unde ştim că aceasta există cu adevărat?

Existenţa materiei întunecate a fost teoretizată pentru prima dată de către Fritz Zwicky în anii ’30 pentru a putea explica mișcarea clusterelor de galaxii. Vera Rubin în anii ’60 și ’70 a calculat că galaxiile se rotesc mai repede decât ar trebui. Atât de repede încât acestea nu şi-ar putea menţine forma şi stabilitatea în lipsa materiei întunecate.

Fritz Zwicky. Credit: Fritz Zwicky Stiftung website

Rubin şi-a imaginat că fiecare galaxie se află în interiorul unui halou uriaş de materie întunecată care prin efectul său gravitaţional menţine stabilitatea galaxiei. Cu toate acestea, nu s-a reuşit detectarea acestei materii întunecate, astfel încât astronomii au căutat şi alte explicaţii pentru mişcarea observată a galaxiilor. Poate că gravitația nu acţionează la distanţe mari aşa cum credem noi.

În ultimii ani astronomii au reuşit să detecteze tot mai bine prezenţa materiei întunecată bazându-se pur şi simplu pe efectul gravitațional al acesteia asupra razelor de lumină ce străbat Universul. Atunci când o rază de lumină trece printr-o regiune în care se află materie întunecată, traiectoria acesteia este curbată de atracţia gravitaţională a materiei întunecate. În loc de o traiectorie în linie dreaptă, raza de lumină este curbată în funcție de cât de multă materie întunecată se află în regiunea prin care se propagă.

Și aici e partea uimitoare. Astronomii pot întocmi harta regiunilor de materie întunecată de pe bolta cerească doar uitându-se la modul în care sunt deviate razele de lumină. Pe baza acestor date, ei pot determina cantitatea de materie întunecată ce provoacă acele efecte.

Aceste metode de analiză au devenit atât de sofisticate încât astronomii au descoperit unele situații neobișnuite, cum ar fi cele în care galaxiile și halourile lor de materie întunecată au fost separate unele de altele. Sau galaxii de materie întunecată care nu au suficient gaz pentru a forma stele. Acestea sunt doar bule gigantice de materie întunecată. Astronomii folosesc materia întunecată ca pe o lentilă gravitațională pentru a studia obiectele cosmice mai îndepărtate. Deşi nu au nicio idee despre ce este materia întunecată, ei o pot totuși folosi ca pe un telescop.

Până în prezent nu s-a reuşit capturarea vreunei particule de materie întunecată și aceasta nu a fost studiată în laborator. Pentru a înţelege ce este materia întunecată, se speră că acceleratorul de particule Large Hadron Collider va putea genera particule având caracteristici similare cu cele ce formează materia întunecată. Chiar dacă LHC nu creează de fapt materie întunecată, acesta va ajuta la eliminarea unora dintre teoriile actuale cu privire la aceasta, ajutându-i astfel pe fizicieni să înţeleagă cu adevărat acest mister.

Large Hadron Collider. Credit: NY Times

Acesta este modul în care funcționează știința. Cineva observă ceva neobișnuit și atunci oamenii propun diferite teorii pentru a explica acel lucru. Teoria care corespunde cel mai bine realităţii este considerată cea corectă. Trăim într-o lume modernă în care multe teorii științifice au fost deja dovedite de sute de ani. În ceea ce priveşte materia întunecată, trăim într-un moment când aceasta este un mister. Dacă avem noroc, această problemă ar putea fi rezolvată în timpul vieții noastre. O altă variantă ar fi ca materia întunecată să nu existe şi atunci am putea învăța ceva cu totul nou despre Univers.

Traducere şi adaptare după How Do We Know Dark Matter Exists?