Znajdź zawartość

Pomimo tego, że jest milion razy mniejszy, pojedynczy neutron może wpływać na energię molekuły. Teraz fizykom z MIT i innych uczelni udało się zmierzyć wpływ neutronu na radioaktywną molekułę, co może mieć fundamentalne znaczenie dla badań nad ciemną materią czy naruszeniem symetrii. Naukowcy opracowali technikę wytwarzania i badania krótko żyjących radioaktywnych molekuł z precyzyjnie kontrolowaną liczbą neutronów. Wybrali liczne izotopy tej samej molekuły, a w każdym z nich był o 1 neutron mniej, niż w poprzednim. Następnie mierzyli energię każdej z molekuł i byli w stanie wykryć minimalne, niemal niewidoczne różnice pomiędzy nimi. Możliwość zarejestrowania takich różnic oznacza, że naukowcy będą w stanie badać radioaktywne molekuły pod kątem występowania w nich zjawisk wywoływanych przez obecność ciemnej materii lub też przyczyn naruszenia symetrii we wszechświecie. Jeśli prawa fizyki są symetryczne, a sądzimy, że są, to w wyniku Wielkiego Wybuchu powinno powstać tyle samo materii i antymaterii. Jednak fakt, że obserwujemy niemal wyłącznie materię, a antymateria to jedynie jedna część na miliard, oznacza, że coś narusza podstawową symetrię fizyki w sposób, którego nie potrafimy wyjaśnić, mówi profesor Ronald Fernando Garcia Ruiz z MIT. Teraz mamy szansę zmierzyć te naruszenia symetrii, używając przy tym ciężkich radioaktywnych molekuł, które są niezwykle czułe na zjawiska, jakich nie obserwujemy w innych molekułach. Może to nam dostarczyć odpowiedzi na najwięsze tajemnice dotyczące powstania wszechświata, dodaje. Większość jąder atomowych ma kształt sfery z równo rozłożonymi protonami i neutronami. Jednak niektóre pierwiastki radioaktywne, jak rad, mają jądra o kształcie gruszki. Protony i neutrony są w nich rozłożone nierównomiernie. Fizycy uważają, że takie zaburzenie kształtu może zwiększać naruszenie symetrii, które spowodowało, iż wszechświat składa się z materii. "Jądra pierwiastków radioaktywnych mogą pozwolić nam na obserwowanie tego naruszenia", uważa współautor najnowszych badań, Silviu-Marian Udrescu. "Problem w tym, że są one bardzo niestabilne i krótkotrwałe. Potrzebujemy więc bardzo czułych metod, które pozwolą nam na ich szybkie wytwarzania i badanie. Naukowcy umieszczali radioaktywne pierwiastki w molekule, co dodatkowo zwiększa zaburzenie symetrii. Każda z radioaktywnych molekuł składa się z co najmniej jednego radioaktywnego atomu związanego z co najmniej jednym innym atomem. Każdy z atomów otoczony jest chmurą elektronów, które tworzą pole bardzo silne elektryczne molekuły. Naukowcy uważają, że pole to może dodatkowo wzmacniać subtelne zjawiska, jak np. zaburzenie symetrii. Autorzy badań tworzą molekuły, które nie istnieją w naturze. W ubiegłym roku poinformowali u uzyskaniu monofluorku radu (RaF), radioaktywnej molekuły składającej się z atomu radu i atomu fluoru. Teraz zaczęli uzyskiwać izotopy tej molekuły, zawierające różną liczbę neutronów. Podczas swojej pracy wykorzystali urządzenie ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line) z CERN-u. Powstaje w nim cała grupa molekuł, w tym RaF, które są oddzielane od reszty za pomocą laserów, pól elektromagnetycznych i pułapek jonowych. Następnie naukowcy badają masę molekuł, dzięki czemu poznają liczbę neutronów w jądrach radu. Następnie sortują molekuły w zależności od liczby neutronów. W ten sposób uzyskali pięć grup identycznych izotopów RaF. Izotopy w każdej z grup mają inną liczbę neutronów niż w pozostałych grupach. Następnie dokonywali pomiarów poziomów energetycznych cząsteczek. Wyobraźmy sobie molekułę, która wibruje jak dwie piłki na sprężynie. Posiada ona pewną energię. Jeśli w jednej z tych piłek zmienimy liczbę neutronów, może zmieć się poziom energetyczny. Jednak każdy z neutronów jest 10 milionów razy mniejszy niż molekuła. Więc różnice są tutaj minimalne. Szczerze mówiąc, nie spodziewaliśmy się, że za pomocą współczesnych technik będziemy w stanie je zauważyć. Ale się udało. I bardzo wyraźnie to widać, mówi Udrescu. Naukowiec porównuje czułość eksperymentu do możliwości zaobserwowania, jak Mount Everest, umieszczony na powierzchni Słońca, zmienia promień naszej gwiazdy. Dodaje, że zaobserwowanie naruszenia symetrii wymaga czułości odpowiadającej obserwacji wpływu ludzkiego włosa na zmianę promienia Słońca. Uzyskane wyniki pokazują, że radioaktywne molekuły, takie jak RaF, są niezwykle czułe na pewne zjawiska, dzięki czemu możemy badać te zjawiska. Bardzo ciężkie radioaktywne molekuły są wyjątkowe. Są wrażliwe na zjawiska, jakich nie możemy zaobserwować w innych molekułach. Jeśli więc szukamy tego, co narusza symetrię, jest spora szansa, że zauważymy to w takich właśnie molekułach, dodaje Udrescu. « powrót do artykułu

Od dawna wśród astronomów i fizyków trwa spór, czy tajemnicza ciemna materia faktycznie istnieje we Wszechświecie - czy może są to jakieś odstępstwa od tego, jak rozumiemy grawitację. Naukowcy analizujący przegląd nieba KiDS, a wśród nich polski astronom Maciej Bilicki z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, sprawdzali to, wykorzystując obserwacje tysięcy galaktyk. Ciemna materia to składnik Wszechświata, którego nie obserwujemy bezpośrednio. O jej istnieniu wnioskujemy na podstawie oddziaływań grawitacyjnych ze zwykłą (świecącą) materią. Obecność ciemnej materii została zaproponowana dla wytłumaczenia obserwowanej rotacji galaktyk oraz ruchów galaktyk w gromadach – widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty. Modele wskazują, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej, niż materii zwykłej. W nowych badaniach, które przeprowadził zespół naukowców pod kierunkiem Margot Brouwer (Uniwersytet w Groningen i Uniwersytet Amsterdamski), postanowiono sprawdzić zarówno hipotezę ciemnej materii, jak i różne teorie grawitacji. Badacze wykorzystali dane z przeglądu nieba Kilo-Degree Survey (KiDS), wykonanego przy pomocy VLT Survey Telescope (VST), należącego do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). Mierzyli tzw. słabe soczewkowanie grawitacyjne, czyli niewielkie ugięcie światła galaktyk spowodowane przez grawitację innych galaktyk położonych bliżej nas. Do analiz wybrano galaktyki z obszaru nieba o powierzchni 1000 stopni kwadratowych (2,5 procent sfery niebieskiej), badając rozkład grawitacji dla około miliona galaktyk. Dane na temat analizowanych galaktyk pochodziły z katalogu opublikowanego niezależnie przez międzynarodową grupę, którą kierował dr hab. Maciej Bilicki. Dla prawie 260 tysięcy galaktyk udało się zmierzyć tzw. relację przyspieszenia radialnego (ang. Radial Acceleration Relation, w skrócie RAR). Opisuje ona związek pomiędzy spodziewaną, a obserwowaną grawitacją (obserwowaną na podstawie widocznej materii), z czego można wysnuć wnioski ile jest nadmiarowej grawitacji. Do tej pory ta nadmiarowa grawitacja była wyznaczana w zewnętrznych regionach galaktyk jedynie poprzez obserwację ruchu gwiazd oraz zimnego gazu. Wykorzystując efekt soczewkowania grawitacyjnego badacze byli teraz w stanie wyznaczyć RAR w rejonach o stukrotnie słabszej sile grawitacji niż dotąd, sięgając w rejony znajdujące się daleko poza centrami galaktyk. Sprawdzili cztery różne modele teoretyczne – dwa zakładające istnienie ciemnej materii i dwa ze zmodyfikowanym prawem grawitacji (tzw. „zmodyfikowana dynamika newtonowska”, w skrócie MOND od angielskiego określenia „Modified Newtonian Dynamics”). Okazało się, że najlepiej do wyników pasuje symulacja o nazwie MICE (jedna z uwzględniających ciemną materię), ale pozostałe warianty również pozostają w grze. W dalszym toku badań podzielono galaktyki z badanej próbki na młode (niebieskie galaktyki spiralne) i stare (czerwone galaktyki eliptyczne). Powstają one w różny sposób, a względna ilość zwykłej i ciemnej materii w różnych typach galaktyk może się zmieniać. Z kolei z alternatywnych teorie grawitacji wynika, że zależność ta powinna być stała. Dało to szansę na dalszą weryfikację poszczególnych modeli. W teoriach zmodyfikowanej grawitacji, takich jak MOND, ta relacja powinna być zawsze taka sama, niezależnie od typu galaktyki, gdyż jedynym znaczącym parametrem (determinującym RAR) jest w tych modelach łączna masa całej zwykłej materii (świecącej) – czyli gwiazd i gazu. Natomiast w standardowym modelu kosmologicznym galaktyki czerwone mają stosunkowo więcej ciemnej materii niż niebieskie, przy tej samej łącznej masie zwykłej materii – czyli stosunek ilości ciemnej materii do materii świecącej jest większy dla galaktyk czerwonych niż dla niebieskich, tłumaczy Bilicki. Nasze badania pokazują, że relacja RAR jest inna dla galaktyk czerwonych niż dla niebieskich. To wyjaśniałoby różnice w mierzonej relacji RAR i wykluczałoby teorie takie jak MOND czy grawitacja entropiczna, dodaje polski astronom. Naukowiec mówi, że potrzebne są jednak dalsze obserwacje, bowiem może zachodzić także sytuacja, że galaktyki czerwone mają w rzeczywistości znacznie więcej zwykłej materii niż nam się wydaje, jeśli są otoczone ogromnymi obłokami rzadkiego, gorącego gazu (w przeciwieństwie do niebieskich, które tego gorącego gazu miałyby znacznie mniej). Taki wariant nie wykluczałby przynajmniej niektórych alternatywnych teorii grawitacji. « powrót do artykułu

Powstała największa mapa ciemnej materii, niewidzialnego materiału, który – jak sądzą naukowcy – stanowi ok. 80% materii wszechświata. Jako że materia zagina światło astronomowie, obserwując światło dochodzące do nas z odległych galaktyk, wnioskują o obecności materii na podstawie zaburzeń jego drogi. W ramach Dark Energy Survey (DES) naukowcy zaprzęgli do pracy sztuczną inteligencję, której zadaniem była analiza światła ze 100 milionów galaktyk. W ten sposób powstała wielka mapa materii wykrytej pomiędzy nami a obserwowanymi galaktykami. Obejmuje ona 25% nieboskłonu półkuli południowej. Większość materii we wszechświecie to ciemna materia. To wspaniale, że możemy rzucić okiem na te rozległe ukryte struktury na tak dużym obszarze nieboskłonu. Nasza mapa, która pokazuje głównie ciemną materię, wykazuje podobne wzorce do mapy tworzonej z samej widocznej materii. Mamy tutaj podobną do pajęczej sieci strukturę gęstych zbitek materii z wielkimi pustymi przestrzeniami pomiędzy nimi, mówi Niall Jeffrey z University College London (UCL). Widoczne galaktyki tworzą się w najgęstszych regionach występowania ciemnej materii. Gdy patrzymy na nocne niebo widzimy światło galaktyk, ale nie dostrzegamy otaczającego ich dysku materii. Wykorzystując soczewkowanie grawitacyjne, czyli obliczając, jak materia zaburza światło, otrzymujemy pełny obraz. Zarówno materii widzialnej jak i niewidzialnej, dodaje Ofer Lahav z UCL. « powrót do artykułu

Na łamach Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pojawiły się wyniki nowego teoretycznego studium mechanizmu powstawania supermasywnych czarnych dziur. Jego autorzy, międzynarodowy zespół naukowy, twierdzą, że supermasywne czarne dziury nie muszą powstawać ze zwykłej materii, a mogą tworzyć się bezpośrednio z ciemnej materii. Powstawanie i ewolucja czarnych dziur to wciąż jedna z zagadek astronomii. Wiemy, że supermasywne czarne dziury istniały już 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wciąż nie wiemy, jak mogły uformować się tak szybko. Standardowe modele tworzenia się czarnych dziur mówi o materii barionowej, która zapadła się pod wpływem grawitacji, utworzyła czarną dziurę, która z czasem rosła wchłaniając pobliską materię. Autorzy nowej pracy badali teoretyczne możliwości istnienia stabilnych jąder galaktyk utworzonych z jądra z ciemnej materii i otaczającej je rozproszonego halo ciemnej materii. W czasie badań zauważyli, że centralne miejsca takich struktur mogą stać się tak gęste, że po przekroczeniu pewnej granicy zapadną się tworząc supermasywną czarną dziurę. Z modelu wynika, że takie zjawisko może zachodzić znacznie szybciej niż inne mechanizmy powstawania supermasywnych czarnych dziur. Na tyle szybko, że mogły się one formować we wczesnym wszechświecie, zanim jeszcze powstały galaktyki, w centrach których się znajdują. Nowy scenariusz formowania może wyjaśniać, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały we wczesnym wszechświecie, bez potrzeby odwoływania się do wcześniejszego powstania gwiazd czy formowania się czarnych dziur o nierealnym tempie wzrostu, mówi główny autor badań Carlos R. Argüelles z Universidad Nacional de La Plata. Nasza praca pokazuje, że wewnątrz halo ciemnej materii mogą znajdować się gęste ośrodki, które mogą wyjaśniać formowania się supermasywnych czarnych dziur, mówi uczony. « powrót do artykułu

W marcowym numerze Physical Letters B ukażą się wyniki nowych badań nad ciemną materią. Ich autorzy znacząco zawęzili limity masy, jaką może mieć cząsteczka ciemnej materii. Dzięki tym badaniom łatwiej będzie ją znaleźć. Wyniki uzyskane przez naukowców z University of Sussex wskazują, że ciemna materia nie może być ani ultralekka, ani superciężka, jak mówią niektóre teorie. Chyba, że podlega ona nieznanym nam jeszcze oddziaływaniom. Brytyjscy naukowcy wyszli z założenia, że jedyną siłą działającą na ciemną materię jest grawitacja. Na tej podstawie obliczyli, że masa ciemnej materii musi zawierać się w przedziale od 10-3 eV do 107 eV. To znacznie węższy zakres niż postulowany dotychczas. Tym, co czyni badania profesora Xaviera Calmeta i doktoranta Folkerta Kuipersa jeszcze bardziej interesującymi, jest stwierdzenie, że jeśli masa ciemnej materii wykracza poza określony przez nich zakres, to działa na nią jeszcze jakaś siła oprócz grawitacji. Po raz pierwszy wykorzystaliśmy to, co wiadomo o grawitacji kwantowej do obliczeń zakresu masy ciemnej materii. Byliśmy zaskoczeni, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że dotychczas nikt tego nie zrobił. Równie zaskoczeni byli recenzenci naszej pracy, mówi Xavier Calmet. Wykazaliśmy, że ciemna materia nie może być ani ultralekka, ani superciężka – jak teoretyzują niektórzy – póki nie działa na nią nieznana nam siła. Nasze badania pomogą na dwa sposoby. Po pierwsze pozwolą skupić się na węższym zakresie mas w poszukiwaniu ciemnej materii, po drugie mogą potencjalnie pomóc w odkryciu nieznanej siły we wszechświecie. « powrót do artykułu

Współczesne zegary optyczne pracują z dokładnością 1 sekundy na 20 miliardów lat. Dlatego też naukowcy z USA, pracujący pod kierunkiem Juna Ye z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii postanowili wykorzystać tę precyzję oraz niezwykłą stabilność wykorzystywanych w nich kryształów krzemowych do uściślenia zakresu potencjalnych interakcji zachodzących pomiędzy ciemną materią a cząstkami i polami Modelu Standardowymi. O ciemnej materii wiemy niewiele. Mamy jedynie pośrednie dowody na jej istnienie, gdyż widzimy wywierane przez nią efekty grawitacyjne w skali galaktycznej i kosmologicznej. Jednym z elementów, które dotychczas wymykają się naukowcom poszukującym ciemnej materii są spodziewane oscylacje stałych fizycznych, jakie powinny zachodzić na styku ciemnej materii oddziałującej z cząstkami Modelu Standardowego. Ye i jego zespół zdali sobie sprawę, że jeśli za pomocą zegara optycznego nie uda się zaobserwować takich oscylacji, oznacza to, że siła interakcji ciemnej materii z materią jest znacznie mniejsza niż obecnie przyjmowana. Poszukiwania ciemnej materii prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie. Cząstkami ciemnej materii mogą być hipotetyczne aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) o masach sięgających 100 GeV. Jednak Amerykanie postanowili przyjrzeć się drugiemu krańcowi masy. Wykorzystali zegar optyczny do poszukiwania możliwych interakcji pomiędzy ciemną materią a materią przy masach znacznie poniżej 1 eV czyli o 500 000 razy mniejszych niż masa elektronu w czasie spoczynku. Zegary optyczne to rodzaj zegarów atomowych. Wykorzystują one drgania atomów strontu. Częstotliwość ich pracy jest bezpośrednio związana z niektórymi stałymi fizycznymi, co pozwala dokonywać niezwykle precyzyjnych pomiarów ewentualnych zmian. Ye i jego zespół użyli więc zegara optycznego do poszukiwania jakichkolwiek zmian stałej struktury subtelnej (α), która opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych. W tym celu porównali częstotliwość drgań atomu strontu z krzemową wnęką optyczną. Częstotliwość obu jest definiowana przez α oraz inną stałą fizyczną, masę spoczynkową elektronu (me). Jednak w obu przypadkach zależności pomiędzy stałymi są różne, zatem ich stosunek do siebie pozwala na określenie ewentualnych zmian α. Używano już zegarów atomowych pracujących z częstotliwościami mikrofalowymi do określenia granic siły oddziaływania ciemnej materii. Nasza praca to pierwsza próba wykorzystania zegara optycznego do znalezienia oscylacji świadczących o istnieniu ciemnej materii, mówi Ye. Naukowcy porównali więc częstotliwość wnęki optycznej do częstotliwości zegara optycznego i dodatkowo użyli też częstotliwości wodorowego masera. Co prawda urządzenie to nie pozwala na tak precyzyjne pomiary jak zegar optyczny, jednak bazuje on na innym stosunku częstotliwości do α i me, a dzięki porównaniu tych właściwości z danymi krzemowej wnęki można sprawdzać ewentualne oscylacje wartości me. O ile oscylacje wartości a wskazywałaby na oddziaływania pomiędzy ciemną materią a polem elektromagnetycznym, to oscylacje me ujawniłyby jej interakcje z elektronem. Wykorzystanie w pomiarach krzemowej wnęki optycznej pozwala dodatkowo skorzystać z jej stabilności. Większość takich wnęk jest wykonanych ze szkła, które jest nieuporządkowanym amorficznym ciałem stałym. Nowa generacja krzemowych wnęk optycznych wykonanych z pojedynczego kryształu krzemu utrzymywanego w temperaturach kriogenicznych powoduje, że są one o cały  rząd wielkości bardziej stabilne. To podstawowa zaleta naszej pracy, mówi Colin Kennedy, jeden z autorów badań. Tak jak się spodziewano, nie zaobserwowano oscylacji podstawowych stałych fizycznych spowodowanych oddziaływaniem z ciemną materią. Oznacza to, że dla cząstek ciemnej materii o masie od 4,5 x 10-16 aż do 1 x 10-19 eV możliwa siła oddziaływań definiowana przez α jest nawet pięciokrotnie mniejsza niż obecnie zakładana. Dla stałej me i cząstek o masie 2 x 10-19 po 2 x 10-21 eV siła ta jest nawet 100-krotnie mniejsza. Ze szczegółami można zapoznać się w pracy Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons « powrót do artykułu

Proponowany przez nas mechanizm wskazuje, że ilość ciemnej materii mogła zostać określona podczas kosmologicznej zmiany fazy, mówi doktor Michael Baker z University of Melbourne. Jest on współautorem nowej teorii dotyczącej pochodzenia ciemnej materii we wszechświecie. Praca, opisująca jak rozszerzające się bąble we wczesnym wszechświecie zdecydowały o ilości ciemnej materii, została opublikowana na łamach Physical Review Letters. Takie przejścia fazy miały miejsce we wczesnym wszechświecie i są podobne do bąbli gazu powstających w gotującej się wodzie. Wykazaliśmy, że cząstkom ciemnej materii jest bardzo ciężko dostać się do wnętrza tych bąbli, co pozwala na wyjaśnienie ilości ciemnej materii obserwowanej we wszechświecie, dodaje Baker. Zamiast tego cząstki ciemnej materii odbijają się od powierzchni bąbli i ulegają szybkiej anihilacji. Gdy okres przejścia fazowego się kończy, bąble łączą się i pozostaje jedynie ta ciemna materia, której udało się wcześniej trafić do ich wnętrza. To ma wyjaśniać ilość ciemnej materii widocznej obecnie we wszechświecie. W wyniku działania takiego mechanizmu pozostają cząstki ciemnej materii o masach liczonych od TeV po przekraczające PeV. Wiemy, że ciemna materia istnieje i niewiele więcej. Jeśli składa się ona z nieznanych cząstek, to jest szansa, że wykryjemy je w laboratorium. Wtedy będziemy mogli określić ich właściwości, takie jak masa czy interakcje z innymi cząstkami, dodaje Baker. Prace, w których brali udział też profesorowie Andrew Long z Rice University oraz Joachim Kopp z CERN i Uniwersytetu w Moguncji, wskazują na nowy cel dla eksperymentów mających na celu znalezienie ciemnej materii. Bardzo ekscytującym aspektem naszej teorii jest fakt, że pasuje ona do cząstek ciemnej materii, które mają masę znacznie większą niż większość innych kandydatów, jak np. słynne WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki), na których skupiała się znaczna część dotychczasowych badań. Nasza teoria wskazuje, że poszukiwania cząstek ciemnej materii można rozszerzyć na większe masy, mówi profesor Kopp. Nowa teoria może być niezwykle ważna dla przyszłości badań naukowych w Australii. W stanie Victoria w byłej kopalni złota powstaje właśnie Stawell Underground Physics Laboratory. Ta położona kilometr pod powierzchnią ziemi instalacja będzie pierwszym podziemnym laboratorium fizyki cząstek na Półkuli Południowej. Będą tam prowadzone liczne eksperymenty, mające na celu znalezienie ciemnej materii. Nowe badania mogą pomóc w ich zaprojektowaniu i przeprowadzeniu. « powrót do artykułu

Fizycy z Uniwersytetu w Sztokholmie i Instytutu Fizyki im. Maxa Plancka zaproponowali rewolucyjny sposób na zarejestrowanie istnienia ciemnej materii. Uczeni chcą wykorzystać plazmę i specyficzną antenę do zarejestrowania aksjonów. Jedna z teorii mówi, że jeśli aksjony istnieją, to właśnie one mogą tworzyć ciemną materię. Szukanie aksjonów jest jak dostrajanie radia. Trzeba ustawić antenę tak, by złapać odpowiednią częstotliwość. W tym wypadku zamiast muzyki 'usłyszymy' ciemną materię, przez którą podróżuje Ziemia. Przez ostatnie trzy dekady, od czasu nadania im nazwy przez Franka Wilczka, aksjony były jednak ignorowane i nie poszukiwano ich metodami eksperymentalnymi, mówi główny autor obecnych badań, doktor Alexander Millar z Uniwersytetu w Sztokholmie. Z przeprowadzonych właśnie badań wynika,że wewnątrz pola magnetycznego aksjony powinny wytwarzać niewielkie pole magnetyczne, które można wykorzystać do wywołania oscylacji w plazmie. Te oscylacje wzmocnią sygnał z aksjonów, dzięki czemu możemy uzyskać lepsze 'aksjonowe radio'. Zwykle podobne eksperymenty prowadzi się w rezonatorach, jednak to, co proponują uczeni ze Szwecji i Niemiec ma olbrzymią zaletę – brak tutaj ograniczeń co do możliwości wzmacniania sygnału. Różnica jest taka, jak pomiędzy próbami złapania sygnału z krótkofalówki albo z radiowej wieży nadawczej. Bez zimnej plazmy nie może dojść do konwersji aksjonów w światło. Plazm odgrywa tutaj podwójną rolę. Tworzy środowisko pozwalające na konwersję i dostarcza plazmonów zbierających energię przemienionej ciemnej materii, mówi doktor Matthew Lawson ze Sztokholmu. To całkowicie nowy sposób poszukiwania ciemnej materii, który pozwoli na poszukiwanie w zupełnie niebadanych obszarach jednego z najlepszych kandydatów do tego miana, dodaje Millar. Rolę 'aksjonowego radia' ma odegrać coś, co naukowy nazwali 'drucianym metamateriałem'. Ma to być zbiór przewodów cieńszych od ludzkiego włosa, które mogą być poruszane, by zmienić częstotliwość drgań plazmy. Jeśli umieści się je wewnątrz silnego magnesu, takiego, jakie są używane w maszynach do rezonansu magnetycznego, 'druciany metamateriał' stanie się bardzo czułą anteną nasłuchującą aksjony. Urządzenie takie zostało nazwane haloskopem plazmowym. Naukowcy z Uniwersytetu w Sztokholmie i Instytutu Maxa Plancka prowadzili co prawda badania teoretyczne, ale ściśle przy tym pracowali z grupą eksperymentatorów z Berkeley. Teraz Amerykanie zajmują się pracami koncepcyjymi nad odpowiednim eksperymentem i mają nadzieję, że w najbliższej przyszłości uda im się zbudować odpowiednie urządzenie do poszukiwania aksjonów. Haloskopy plazmowe to jeden ze sposobów na poszukiwanie aksjonów. Fakt, że ludzie zajmujący się badaniami eksperymentalnymi tak szybko zainteresowali się naszą pracą jest bardzo ekscytujący i daje nadzieję, że zostaną przeprowadzone odpowiednie eksperymenty, cieszy się Millar. Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Physical Review Letters. « powrót do artykułu

Naukowcy z Instytut Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn zaproponowali nowy eksperyment, dzięki któremu mamy dowiedzieć się więcej na temat interakcji pomiędzy ciemną materią, a materią. Ich propozycja została opublikowana na łamach Physical Review Letters. Przed około 400 laty Galileusz stwierdził, że w polu grawitacyjnym ziemi wszystkie ciała doświadczają takiego samego spadku swobodnego. Niedawno przeprowadzony eksperyment z użyciem satelity potwierdził uniwersalność swobodnego spadku w polu grawitacyjnym Ziemi z dokładnością 1:100 bilionów. Takie eksperymenty pozwalają jednak przetestować tylko uniwersalność zasady swobodnego spadku w odniesieniu do materii. Tymczasem zwykła materia stanowi niewielką część materii wszechświat. Jako, że nie znamy natury ciemnej materii, nie wiemy w jaki sposób może ona oddziaływać z materią, jakie siły wchodzą tutaj w rachubę. Czy interakcja pomiędzy materią a ciemną materią odbywa się za pomocą czterech znanych rodzajów oddziaływań podstawowych (grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne, słabe) czy też mamy tu do czynienia z hipotetycznym dodatkowym oddziaływaniem, nazwanym „piątą siłą”. Naukowcy z Bonn proponują zweryfikowanie istnienia „piątej siły” za pomocą gwiazdy neutronowej. Są dwa powody, dla których pulsar w układzie podwójnym pozwala na przeprowadzenie nowatorskich badań oddziaływania pomiędzy materią a ciemną materią. Po pierwsze, gwiazda neutronowa składa się z materii, której nie możemy odtworzyć w laboratorium. Jest ona wielokrotnie bardziej gęsta niż jądro atomowe, złożona niemal w całości z neutronów. Ponadto niezwykle silne pola grawitacyjne wewnątrz gwiazdy neutronowej, miliard razy silniejsze niż pole grawitacyjne Słońca, może znakomicie wzmacniać interakcje z ciemną materią, mówi Lijing Shao z Instytutu im. Maxa Plancka. Orbity pulsarów w układach podwójnych można precyzyjnie mierzyć. W niektórych przypadkach znamy orbitę takiej gwiazdy z dokładnością większą niż 30 metrów. Zespół naukowy z Bonn postanowił przetestować swój pomysł wykorzystując w tym celu pulsar PSR J1713+0740 oddalony od Ziemi o około 3800 lat świetlnych. To jeden z najbardziej stabilnych znanych nam pulsarów. Pojedynczy obrót wokół własnej osi zajmuje mu 4,6 milisekundy, a sam pulsar krąży wokół białego karła po niemal kołowej orbicie o okresie 68 dni. To dobry obiekt do badań, gdyż im większa orbita, tym bardziej ciemna materia powinna ją zakłócać. Jeśli swobody spadek w polu grawitacyjnym ciemnej materii jest inny niż w polu grawitacyjnym białego karła (materia), to z czasem powinno dochodzić do deformacji orbity pulsara. Przez ponad 20 lat precyzyjnych pomiarów prowadzonych za pomocą teleskopu Effelsber i innych radioteleskopów, wykazano, że nie dochodzi do zmian orbity. A to z dużym prawdopodobieństwem oznacza, że pulsar jest w ten sam sposób przyciągany do ciemnej materii co do materii, stwierdził Norbert Wex. Naukowcy uważają, że jeszcze lepsze badania można przeprowadzić w miejscach gdzie, jak się przypuszcza, występuje dużo ciemnej materii. "Idealnym miejscem jest centrum galaktyki, które obserwujemy w ramach projektu Black Hole Cam. Gdy uruchomiony zostanie teleskop Square Kilometre Array będziemy mogli przeprowadzić niezwykle precyzyjne testy", mówi Michael Kramer. « powrót do artykułu

Joanna Jałocha, Łukasz Bratek i profesor Marek Kutschera z Polskiej Akademii Nauk w Krakowie wyliczyli, że galaktyce NGC 4736 nie towarzyszy ciemna materia. Jeśli te obliczenia są prawidłowe, oznacza to, że galaktyka nie ma w ogóle lub ma bardzo mało ciemnej materii. To zadziwiające - mówi astrofizyk Jurg Diemand z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Gwiazdy w galaktykach krążą tak szybko wokół centrum, że powinny od niego odlecieć. Coś jednak je utrzymuje na orbicie. Masa wszystkich obserwowalnych obiektów oraz masa gazów w galaktykach jest zbyt mała, by ich grawitacja mogła powstrzymać gwiazdy przed opuszczeniem galaktyki. Tak więc jest jeszcze coś, co je tam trzyma. Jedna z teorii mówi, że to to tzw. ciemna materia, której nie jesteśmy w stanie zaobserwować. Według innej, znanej jako zmodyfikowana dynamika Newtonowska (MOND), dzieje się tak, ponieważ siły grawitacji mogą zachowywać się inaczej, niż w ziemskich warunkach. Polscy naukowcy zaobserwowali, że galaktyka spiralna NGC 4736 zachowuje się dość nietypowo. Im dalej od „zatłoczonego” przez gwiazdy środka, tym ruch w tej galaktyce jest wolniejszy. Innymi słowy w NGC 4736 zachowuje się tak, jakbyśmy się tego spodziewali. Jakby nie było w pobliżu ani ciemnej materii, ani nie działała MOND. Galaktyka jest dość mała, dlatego, aby dokonać dokładnych obliczeń Polacy musieli opracować nowe metody analizy danych. Z ich obliczeń wynika, że masa widocznych gwiazd i gazu jest równa masie całej galaktyki. Dotychczas wszystkie stosowane metody zawsze wykazywały istnienie ciemnej materii. Stacy McGaugh, specjalistka ds. formowania się i ewolucji galaktyk z University of Maryland, nie potrafi odpowiedzieć na pytanie, czy wyliczenia polskich naukowców są prawidłowe. Zauważa, że jeśli są, to NGC 4736 jest wyjątkową galaktyką. Jeśli wyliczenia polskiego zespołu się potwierdzą, astronomowie będą mieli nie lada orzech do zgryzienia. Jurg Diemand mówi, że ciemna materia umożliwia formowanie się galaktyk. To ona przyciąga gaz, z którego z czasem powstają gwiazdy. Nie wiadomo, w jaki sposób mogłyby powstać galaktyki, którym nie towarzyszy ciemna materia. Ze szczegółowym opisem nowej metody analizy można zapoznać się w Sieci.

Dzięki hawajskiemu teleskopowi Keck II znaleziono najciemniejszą znaną nam galaktykę. Mówiąc o ciemnej galaktyce astronomia nie przesądza o ilości światła, którą ona emituje, ale o stosunku masy widzialnych gwiazd do masy całej galaktyki. Segue 1, bo tak nazywa się kosmiczne „jądro ciemności" jest 3400 razy cięższa niż wynika z obliczeń masy jej gwiazd widzialnych. Oznacza to, że w olbrzymiej mierze składa się z olbrzymich chmur ciemnej materii. Po raz pierwszy o istnieniu „Najciemniejszej Galaktyki" poinformowano przed dwoma laty. Jej odkrywcy twierdzili wówczas, że jest to przypadkowy zbiór grup gwiazd, które pochodzą z pobliskiej galaktyki karłowatej Strzelca. Jednak takie wytłumaczenie nie przekonało astronomów z Cambridge University. Postanowili oni zbadać prędkość poruszania się gwiazd w nowej galaktyce zarówno względem Drogi Mlecznej jak i względem siebie. Uczonym udało się zebrać dane dotyczące zawartości żelaza z 7 gwiazd. W trzech z nich zawartość żelaza jest ponad 2500 razy mniejsza niż w Słońcu. To dowodzi, że mamy do czynienia z jednymi z najstarszych i najmniej wyewoluowanych gwiazd - stwierdził Joshua Simon z Carnegie Institution w Waszyngtonie. W naszej Drodze Mlecznej, wśród miliardów gwiazd, udało się dotychczas odnaleźć zaledwie 30 tak prymitywnych gwiazd. W Segue 1 już mamy 10% tego, co udało się znaleźć w Drodze Mlecznej. Galaktyki karłowate będą niezwykle ważnym źródłem wiedzy o najbardziej prymitywnych gwiazdach - dodaje Geha. Galaktyka posłuży też do badań nad ciemną materią. Uczeni mają nadzieję, że uda się wykryć ślady promieniowania gamma, które, teoretycznie, może być wynikiem kolizji i anihilacji cząsteczek ciemnej materii. Jak na razie kosmiczny teleskop Fermi Gamma Ray nie wykrył takiego promieniowania. Sądzimy, że Fermi albo nie jest w stanie albo ledwo jest w stanie wykryć takie promieniowanie - mówi Simon. Naukowcy nie tracą jednak nadziei. Jego odkrycie byłoby czymś spektakularnym. Ludzie od 35 lat dowiedzieć się czegoś o ciemnej materii i nie poczynili zbyt wielkiego postępu. Nawet zarejestrowanie bardzo słabego promieniowania byłoby znaczącym dowodem na potwierdzenie teoretycznych rozważań o naturze ciemnej materii - dodaje uczony.

Po zakończeniu naszych badań wiemy o ciemnej materii mniej niż przedtem. Te słowa Marka Walkera z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics pokazują, po jak niepewnym terenie poruszamy się badając wszechświat. Zgodnie z obecnie obowiązującym modelem kosmologicznym wszechświat zdominowany jest przez ciemną energię i ciemną materię. Astronomowie uważają, że ciemna materia składa się z zimnych (czyli mających niską energię) egzotycznych cząsteczek, które pod wpływem grawitacji zbijają się w grupy. Po pewnym czasie ciemnej materii jest tak dużo, że przyciąga ona widoczną materię, tworząc galaktyki. Komputerowe modelowanie tego zjawiska wskazuje, że ciemna materia powinna być gęsto upakowana i znajdować się w centrach galaktyk. Tymczasem prowadzone przez Walkera i jego zespół badania dwóch galaktyk karłowatych wykazały, że ciemna materia jest w nich równomiernie rozłożona. Wyniki naszych badań stoją w sprzeczności z przypuszczeniami dotyczącymi struktury zimnej ciemnej materii w galaktykach karłowatych. Teorie na jej temat nie zgadzają się z uzyskanymi danymi obserwacyjnymi - dodaje Walker. Galaktyki karłowate są idealnymi obiektami do badania ciemnej materii, gdyż stanowi ona aż 99% ich składu. Walker i Jorge Peñarrubia z University of Cambridge poddali szczegółowej analizie dwie galaktyki - Karzeł Pieca i Karzeł Rzeźbiarza. Zawierają one od 1 do 10 milionów gwiazd. Są więc mikroskopijne np. w porównaniu z Drogą Mleczną, która zawiera około 400 miliardów gwiazd. Naukowcy zmierzyli położenie, prędkość i skład 1500-2500 gwiazd. Gwiazdy w galaktyce karłowatej roją się jak pszczoły w ulu, zamiast poruszać się po eleganckich orbitach, jak w galaktykach spiralnych. To powoduje, że określenie dystrybucji ciemnej materii jest znacznie trudniejsze - stwierdził Peñarrubia. Uzyskane przez uczonych dane wskazują, że w obu galaktykach ciemna materia rozkłada się równomiernie na dość dużym obszarze o średnicy kilkuset lat świetlnych. Jeśli galaktyka karłowata byłaby brzoskwinią, to standardowy model kosmolgiczny mówi, iż ciemna materia stanowi jej pestkę. Tymczasem badane przez nas dwie galaktyki nie mają pestek - dodaje Peñarrubia. Na razie nie wiadomo, jak wytłumaczyć ten fenomen. Już wcześniej sugerowano, że wskutek interakcji pomiędzy materią a ciemną materią ta druga może się rozprzestrzeniać, jednak współczesne symulacje komputerowe nie wskazują, by takie zjawisko miało miejsce w galaktykach karłowatych. Badania Walkera i Peñarrubii mogą być sygnałem, że albo materia wpływa na ciemną materię bardziej, niż sądzimy, albo też ciemna nie jest zimna.

Im dalej w las, tym więcej drzew, a drzewa zasłaniają nam las - tak można by podsumować kłopoty, jakich przysparza nam dalszy rozwój nauki. Wykonanie koniecznych pomiarów, czy eksperymentów wymaga coraz większych nakładów i rozwiązywania różnych technicznych kłopotów. Dotyczy to także astronomii kosmologii, dlatego NASA postanowiła zaprząc do pomocy chętnych naukowców z zupełnie innych dziedzin. Jedną z największych zagadek kosmologii jest ciemna materia i ciemna energia. To one tworzą większość masy naszego wszechświata, odpowiednio 24 procent i 72 procent, ponieważ materia, jaką znamy, to zaledwie cztery procent. Ciemna materia prawdopodobnie przenika się ze zwykłą, ale oddziałuje z nią grawitacyjnie, podczas gdy jeszcze bardziej tajemnicza ciemna energia zamiast przyciągać - odpycha. Nie mogąc w sposób fizyczny ich „pomacać", naukowcy chcą zbadać ich rozłożenie we Wszechświecie opierając się na ich grawitacyjnym oddziaływaniu na obiekty kosmiczne, zwłaszcza galaktyki. Metoda ta oparta jest o znane powszechnie soczewkowanie grawitacyjne, przewidziane jeszcze przez Einsteina, czyli zakrzywianie biegu promieni światła przez obiekty o dużej masie. Obraz odległych galaktyk i gwiazd, jaki obserwujemy, jest zniekształcony przez taki właśnie efekt soczewkowania. Czasami taka galaktyka lub gwiazda wydaje się powiększona, czasem przekrzywiona, często zniekształcenie jest tak drobne, że niewidoczne dla gołego oka. Analiza tych zniekształceń mogłaby powiedzieć nam wiele o strukturze przestrzeni, ale zagadnienie przekracza możliwości nie tylko pojedynczego badacza, ale dowolnego zespołu. A do problemu dochodzi jeszcze kwestia niedoskonałości naszych przyrządów - najlepsze nawet teleskopy wprowadzają własne zniekształcenia, często większe od tych pochodzących od soczewkowania, które trzeba odfiltrować. Dlatego 3 grudnia NASA ogłosiła otwarty konkurs dla naukowców różnych specjalności, którzy chcieliby zmierzyć się z tym zagadnieniem. Na rozwiązanie czekają „galaktyczne puzzle", każde złożone z tysięcy obrazów. W istocie problem jest zbliżony do innego ciekawego, a popularnego ostatnio zagadnienia, jakim jest zautomatyzowane rozpoznawanie i analizowanie obrazów (na przykład twarzy) przez zaawansowane algorytmy. To może być ciekawe wyzwanie dla inżynierów i naukowców różnych specjalności, chętnych do podejścia interdyscyplinarnego. Na rozwiązanie zagadek chętni mają dziewięć miesięcy, zwycięzca zostanie ogłoszony na specjalnej gali i oprócz satysfakcji i chwały otrzyma okolicznościowe gadżety. Pełne informacje można znaleźć na oficjalnej stronie GREAT 2010 (GRavitational lEnsing Accuracy Testing). Nie jest to pierwsze takie „powszechne ruszenie", ogłoszone przez NASA, pierwszy otwarty konkurs ogłoszono w 2008 roku, a dzięki wartościowym efektom zdecydowano się kontynuować pomysł w postaci corocznej tradycji.

Kiedy w 1965 roku przypadkowo dostrzeżono mikrofalowe promieniowanie tła (inaczej: promieniowanie reliktowe), szybko zdano sobie sprawę z wagi odkrycia. Mimo to pierwszą mapę rozkładu tego promieniowania, będącego śladem Big Bangu, wykonano dopiero w 1992 roku dzięki satelicie COBE. Była ona jednak mało dokładna, dlatego w 2001 roku rozpoczęła się misja WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) mająca na celu sporządzenie dokładnej mapy nieba w promieniowaniu mikrofalowym. Wykonanie wszystkich pomiarów trwało aż dziewięć lat i dopiero w sierpniu tego roku satelita przesłał ostatnie zgromadzone dane. WMAP ostatecznie potwierdził, mimo pojawiających się wątpliwości, że znana nam materia stanowi mniejszość we wszechświecie. Atomy, jakie opisują nasze teorie to zaledwie 4,6 procenta jej masy (wcześniej szacowano ją nawet na jedynie 4%). Reszta to dwa składniki, których nie rozumiemy. Ciemna materia tworzy 23 procent wszechświata (nieco więcej, niż dotychczas sądzono) i próbuje się ją znaleźć i zidentyfikować w laboratorium. Ciemna energia, która ma dziwne właściwości odpychania grawitacyjnego to 72 procent (nie 74%, jak dotychczas sądzono). WMAP był pierwszym satelitą pracującym w punkcie grawitacyjnej równowagi L2 układu Ziemia - Słońce, półtora miliona kilometrów od Ziemi. Ósmego września satelita uruchomił silniki, opuścił punkt L2 i wszedł na stałą orbitę parkingową wokół Słońca. Analiza zgromadzonych informacji zajmie naukowcom całe lata, a już teraz miejsce amerykańskiego WMAP w punkcie L2 zajmuje teraz europejski satelita misji Planck, wystrzelony w ubiegłym roku, który ma dostarczyć jeszcze bardziej szczegółowych danych.

Niewidzialna ciemna materia, której naukowcom nie udało się dotąd nawet „pomacać", stanowi większość masy materii naszego Wszechświata. Mimo to, nie wiadomo dotąd, czym ona naprawdę jest i nie są znane jej właściwości. W szczególności jej znikoma interakcja ze zwykłą materią przysparza wielu zagadek, do tego stopnia, że niektórzy nawet powątpiewają w jej istnienie. Tym niemniej, według obecnej teorii nie było by Wszechświata w obecnym kształcie, bowiem to sferyczne skupiska ciemnej materii, oddziałując grawitacyjnie, stanowią miejsce, czy też „szkielet" formowania się gwiazd i chmur gazowych. Tym bardziej dziwne jest, że nie mamy dotąd pojęcia, dlaczego skupiska ciemnej materii mają taki, a nie inny kształt, czy strukturę, uważa Steen Hansen, astrofizyk z Centrum Ciemnej Kosmologii (Dark Cosmology Centre) w Niels Bohr Institute na duńskim University of Copenhagen. Brak innych oddziaływań poza grawitacyjnym powinien ułatwiać zrozumienie regularności w obserwowanych zmianach gęstości i temperatury ciemnej materii. Czy stoją za nią jakieś podstawowe prawa, czy jej kształt jest wynikiem całkowicie przypadkowych zderzeń albo innych kosmicznych zdarzeń? Przykładowo, z obserwacji jasności gwiazd łatwo można wywnioskować o jej właściwościach, ponieważ musi być zawsze zachowana równowaga pomiędzy ciśnieniem radiacyjnym a siłą grawitacji. Dlatego gwiazdy ewoluują w podobny sposób, to podobieństwo, wynikające z praw natury, jest atraktorem dla widzialnej materii: niezależnie od stanu początkowego zmierzają ona do przewidywalnego. Dla ciemnej materii istnieje grawitacja, nie ma dla niej natomiast ciśnienia radiacyjnego. Dlatego nie było dotąd wiadomo, czy posiada ona jakiś atraktor, pozwalający wyjaśnić identyczność sferycznych struktur, w jakie się formuje. Nie było wiadomo aż dotąd, ponieważ Steen Hansen, dzięki symulacjom komputerowym wykazał, że taki atraktor musi istnieć. Po raz pierwszy udało się ustalić, że stosunek pomiędzy temperaturą a gęstością ciemnej materii zmienia się regularny i zawsze taki sam sposób, jeśli rozpatrywać go od wewnątrz do zewnątrz sfer ciemnej materii. Stworzone komputerowe modele tych struktur pozostawały zawsze w doskonałej równowadze, nawet, kiedy w symulacji zmieniano im parametry energii. Tym się różnią od gwiazd - kiedy gwieździe kończy się wodór, przestaje ona mieścić się w ramach swoich przemian - mówi się, że opuszcza swój atraktor. Tymczasem ponieważ w przypadku ciemnej materii nie występuje ani ciśnienie radiacyjne, ani zderzenia, prawdopodobnie pozostaje ona w oddziaływaniu swojego atraktora na zawsze.

Ciemna materia, która według szacunków odpowiada za 80% masy naszego Wszechświata, wciąż wymyka się naukowcom. Nie daje się ani zaobserwować, ani znaleźć w laboratorium. Astronomowie z koledżu Royal Holloway na Uniwersytecie Londyńskim chcą jej szukać... na Słońcu. Ciemna materia miałaby wypełniać przestrzeń kosmiczną, nie świeci, więc nie potrafimy jej zaobserwować. Na jej istnienie wskazuje jedynie fakt, że oddziałuje grawitacyjnie ze zwykłą, naszą materią. Jej istnienie wypełniło by również lukę w teoretycznych obliczeniach masy, jaką powinien zawierać Wszechświat oraz wyjaśniało wiele grawitacyjnych anomalii w obserwowanym kosmosie. Nie wiadomo tak naprawdę, czym miałaby być, nie udało się dotychczas zaobserwować jej interakcji (zderzeń) ze zwykłą materią ani w kosmosie, ani w laboratorium. Uczeni liczą na przełom dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów, ale uruchomienie go z pełną mocą nastąpi nieprędko. Doktor Stephen West z Wydziału Fizyki koledżu Royal Holloway na Uniwersytecie Londyńskim zajął się w swoim ostatnim studium możliwym wpływem ciemnej materii na właściwości naszego Słońca. Jego zdaniem, wobec fiaska dotychczasowych metod, właśnie nasza gwiazda mogłaby stanowić naturalne laboratorium do poszukiwań tego fenomenu. Ciemna materia tworzy halo, obłok wokół naszej Galaktyki. Jej ruch obrotowy sprawia, że każde ciało niebieskie poruszając się doświadcza swego rodzaju „wiatru" ciemnej materii, która przez nie przenika. Ponieważ oddziałuje ona grawitacyjnie ze zwykłą materią, obiekty o dużej masie są szczególnie predestynowane do wykrycia takich oddziaływań. Skoro ciemna materia wpływa na ruch ciał niebieskich, to zależność musi być obustronna. Jak spodziewa się dr West, cząsteczki przelatującej ciemnej materii zderzają się z materią Słońca i zostają schwytane przez jego grawitację, gromadząc się w jego wnętrzu. Narastająca masa ciemnej materii w rdzeniu gwiazdy musi wywoływać jakieś efekty, które dadzą się przewidzieć i zaobserwować. Jeśli teoretyczne kalkulacje pokryją się z obserwacjami, będzie to oznaczało, że wykorzystany model ciemnej materii jest prawidłowy. Jeśli nie, to albo ma ona właściwości inne, niż się spodziewamy, albo... wcale jej nie ma, bo niektórzy naukowcy są takiego właśnie zdania. Komputerowe symulacje, wykonane w zespole Stephena Westa wskazują, że nagromadzona we wnętrzu gwiazdy ciemna materia powinna doprowadzić do spadku temperatury jego rdzenia. Działałaby ona według założonego modelu jak radiator, nagrzewając się i odprowadzając temperaturę ze środka na powierzchnię. Porównanie temperatury powierzchni Słońca i jego rdzenia z tymi wynikającymi z obliczeń powinno dostarczyć bezcennych informacji na temat masy nagromadzonych ciemnych cząstek oraz ich oddziaływania z materią słoneczną. Temperaturę wnętrza Słońca można poznać mierząc emisję neutrin, które są produktem ubocznym reakcji zachodzących w gwieździe. To będzie następny etap planowanych przez doktora Westa badań: poszukiwanie zmian w ilości powstających w Słońcu neutrin, uwzględnienie czułości istniejących detektorów neutrin, które są aparaturą względnie nową technologicznie. Po uruchomieniu całej mocy Wielkiego Zderzacza Hadronów planowane są eksperymenty mające na celu wykrycie i zbadanie właściwości ciemnej materii. Wówczas dane obserwacyjne, zgromadzone według pomysłu Stephena Westa, dostarczą bezcennego materiału porównawczego i weryfikującego.

Ciemna materia i ciemna energia - ta niepoznana część wszechświata, niewykryte nadal cząstki, dla których nie ma zadowalającej teorii od lat niepokoją umysły naukowców. W zrozumienie tego fenomenu włożono wiele wysiłku a tymczasem okazuje się, że być może wcale go nie ma... Tak sugerują na podstawie swoich badań student Utane Sawangwit i profesor Tom Shanks z Uniwersytetu Durham. Hipoteza istnienia ciemnej materii wzięła się z niespójności danych na temat tempa rozszerzania się wszechświata z wyliczeniami - szacowana na podstawie oddziaływania grawitacyjnego masa materii we wszechświecie nie zgadzała się z ilością zaobserwowaną. Rozbieżność była tak duża, że wymagała uzupełnienia braku jakąś teorią. Dane wskazują na istnienie większej ilości materii niż możemy zaobserwować, zatem istnieje jakaś niewidoczna dla nas materia, która oddziałuje jedynie grawitacyjnie. Dane uzyskane z badań metodą soczewkowania grawitacyjnego potwierdziły jej istnienie i nawet pozwoliły określić jej rozkład w obserwowanym kosmosie. Mimo to istnienie czegoś, czego nie sposób dotknąć, nawet przy pomocy przyrządów, niepokoi uczonych, zwłaszcza fizyków. Choć na temat ciemnej materii powstało już wiele hipotez i podejmowane są próby jej zarejestrowania, fizycy teoretycy zapewne odetchną z ulgą, kiedy nie będą musieli głowić się nad czymś niewidocznym i niezbadanym. Rezygnacja z tej hipotezy usunie także niektóre problemy teoretyczne, na przykład związane z tworzeniem się gwiazd, na który to proces ciemna materia musiałaby wpływać. Jak jednak podsumowuje prof. Shanks, jeszcze nie jest przesądzone, czy ciemna materia istnieje, czy też nie. Być może nowe, dokładne wyniki wyeliminują konieczność jej istnienia, a może jedynie zmienią proporcje. Być może przesądzą o tym dane z europejskiego satelity PLANCK, który rejestruje dokładniejszą mapę rozkładu promieniowania resztkowego.

Zagadnienie ciemnej materii to jedna z najciekawszych zagadek współczesnej nauki, nad którą głowi się i astronomia, i fizyka kwantowa. Większość osób już słyszała, że ciemna materia miałaby wypełniać przestrzeń kosmiczną, że nie świeci, więc nie potrafimy jej zaobserwować. Na jej istnienie wskazuje jedynie fakt, że oddziałuje grawitacyjnie ze zwykłą, naszą materią. Jej istnienie wypełniało by także lukę w teoretycznych obliczeniach masy, jaką powinien zawierać Wszechświat oraz wyjaśniało wiele grawitacyjnych anomalii w obserwowanym kosmosie. Podejmowane są oczywiście próby zarejestrowania jej obecności. Dotychczas odnotowano dwa eksperymenty, których wyniki mogłyby świadczyć o istnieniu tej hipotetycznej materii. Nie są one jednak pewne, ani potwierdzone, na razie również nic nie wyjaśniają. Tymczasem australijski fizyk z Uniwersytetu w Melbourne, Robert Foot, uważa, że zarówno niepewne wyniki eksperymentów, jak i inne własności ciemnej materii można wyjaśnić, uznając, że jest to tzw. materia lustrzana. Hipotetyczna lustrzana materia miałaby być odbiciem naszej ze złamaniem tak zwanej symetrii parzystości P. Parzystość to w fizyce zmiana znaku fali lub pola spowodowana zmianą znaku jednego z jej argumentów: współrzędnych przestrzennych (P), kierunku upływu czasu (T) lub ładunku elektrycznego ©. Hipoteza symetryczności mówi, że cząstki poddane zmianie parzystości powinny się zachowywać tak samo. Jednak zmiana parzystości P powoduje, że cząstki zachowują się zupełnie inaczej: zmienia się działanie tzw. sił słabych. To zupełnie, jakby nasze lustrzane odbicie zachowywało się inaczej, niż my. Według większości teorii, zaraz po Wielkim Wybuchu wszystkie rodzaje materii występowały w równych ilościach, później jednak, z jakichś powodów, ich liczba zaczęła się różnicować. Lustrzana materia może być kojarzona z antymaterią, która też jest odwrotnością naszej, tyle że pod względem ładunku elektrycznego. O ile jednak materia i antymateria reagują ze sobą najgwałtowniej, jak można - ulegają wzajemnemu zniszczeniu, wydzielając ogromne ilości energii; o tyle materia nasza z materią lustrzaną reaguje bardzo słabo. Tak słabo, że mogą się wręcz wzajemnie przenikać. Jej promieniowanie jest dla nas niedostrzegalne, można jej obecność zaobserwować jedynie dzięki sile przyciągania, która działa między nimi normalnie. Brzmi znajomo? Zupełnie jak teoretyczna ciemna materia. Teoria sugeruje jednak, że możliwe jest zaobserwowanie bardzo delikatnych oddziaływań pomiędzy materią zwykłą i lustrzaną. Dwa eksperymenty: DAMA oraz CoGeNT dały wyniki, które można interpretować jako oznaki zderzeń cząstek materii zwykłej i lustrzanej. Wg modelu Foota cząstki te mogą się zderzać dzięki zjawisku zwanemu mieszaniem kinetycznym fotonów i fotonów lustrzanych, tłumaczyłoby ono wyniki eksperymentów. Plazma złożona z lustrzanych cząsteczek stanowiłaby główną składową galaktycznych halo, czyli tam, gdzie „ukrywa się" poszukiwana ciemna materia. Potrzebne są jednak dalsze, dokładniejsze eksperymenty, które pozwoliłyby przetestować model zaproponowany przez Roberta Foota.

Profesor Paul Frampton z University of North Carolina uważa, że ciągle nieodnaleziona ciemna materia tworzy średniej wielkości czarne dziury. Są one na tyle małe, że nie możemy ich dostrzec, a na tyle duże, iż nie wyparowują. Frampton zauważa, że żadna z cząsteczek Modelu Standardowego nie ma właściwości ciemnej materii. Dlatego też proponuje inne podejście do problemu. Najpierw stwierdził, jaka powinna być entropia wszechświata. Obliczył też entropię wszystkich znanych czarnych dziur. Przyjął też, że w centrum każdej galaktyki znajduje się olbrzymia czarna dziura. Z obliczeń wynika, że "we wszechświecie nie ma wystarczająco dużo widzialnej materii, a więc różnica w entropii musi brać się z entropii ciemnej materii". stwierdził Frampton. Jego zdaniem należy jej poszukiwać w średniej wielkości czarnych dziurach. Tutaj powstaje pytanie, w jaki sposób mogło uformować się tak dużo niewielkich czarnych dziur. Tego nie wyjaśniają współczesne teorie formowania się wszechświata. Frampton uważa, że mogły być dwa, a nie jeden, etapy rozszerzania się kosmosu. "Podczas pierwszego doszło do powstania olbrzymiej struktury wszechświata, jaką dzisiaj widzimy. Podczas drugiego - do łączenia się materii i powstawania dodatkowych czarnych dziur" - powiedział profesor. Z jego zdaniem nie zgadza się profesor Warwick Couch z Swinburne University. Zauważa jednak, że "jeśli obliczenia Framptona są prawidłowe, widać wyraźnie niezgodność pomiędzy liczbą znanych nam czarnych dziur, a liczbą, jaka powinna być, gdybyśmy bazowali na entropii". Dodaje przy tym, że zwykle kosmolodzy nie postrzegają wszechświata przez pryzmat entropii, jednak tego typu podejście może być bardzo dobrą metodą jego badania.

Rozpoczęły się prace konstrukcyjne nad najgłębiej położonym laboratorium we wnętrzu ziemi. W Jaskini Davisa naukowcy będą prowadzili badania ciemnej materii. Jaskinia znajduje się w nieczynnej kopalni złota, na głębokości niemal 1500 metrów. Została nazwana tak na cześć Raya Davisa Juniora, który w latach 60. ubiegłego wieku wykorzystywał kopalnię do badania neutrino. Niezwykłe laboratorium powstanie na tak znacznej głębokości, dzięki czemu oddziaływanie promieniowania kosmicznego nie powinno zakłócać wyników badań. W podziemnym laboratorium stanie aparatura badawcza o nazwie Large Underground Xenon (LUX). W projekcie bierze udział kilka amerykańskich uniwersytetów i grup badawczych. Otwarcie laboratorium jest przewidziane na 2016 rok. Zanim do niego dojdzie konieczna jest naprawa wielu korytarzy oraz odpowiednie zabezpieczenie terenu. Już rozpoczęto prace na głębokości około 1500 metrów pod powierzchnią planety. Tymczasem Kongres USA rozważa podjęcie decyzji o sfinansowaniu budowy dwóch kolejnych laboratoriów, które mają powstać jeszcze głębiej, niż obecnie budowane.

Patrząc na pokryty jasnymi punktami firmament, trudno w to uwierzyć, ale fizycy z University of Utah w Salt Lake City wyliczyli, że pierwsze gwiazdy mogły być tak przysłonięte przez chmury ciemnej materii, że nie mogły świecić. Gdyby się to potwierdziło, musielibyśmy zmienić poglądy na ewolucję gwiazd i proces tworzenia się czarnych dziur w dobie młodości kosmosu. Teraz większość astronomów uznaje, że wszechświat zaczął się formować wokół zbitek ciemnej materii. W sumie jest jej 6-krotnie więcej niż materii widzialnej, do tej pory nikomu jednak nie udało się jej bezpośrednio zaobserwować. Widać tylko skutki jej działania grawitacyjnego. Wg naukowców, zbitki ciemnej materii miały ok. 13 mld lat temu spełniać rolę "jądra"/zakotwiczenia grawitacji. Wokół nich najpierw kondensowały się chmury wodoru i helu, a potem formowały się pierwsze gwiazdy i galaktyki. Fizyk Paolo Gondolo i jego zespół zaprezentowali jednak alternatywną koncepcję. Na razie nie była ona testowana podczas symulacji komputerowych. Sądzą oni, że cząsteczki ciemnej materii (neutralino) zderzały się ze sobą, ogrzewając chmury gazów i nie dopuszczając do ich skraplania się oraz rozpoczęcia reakcji termojądrowych. To dlatego gwiazdy pozostały ciemne (nie wiadomo na jak długo). Były też większe od swoich współczesnych odpowiedników. Być może ich rozmiary 15 tys. razy przekraczały "gabaryty" Układu Słonecznego (Physical Review Letters). Niewykluczone, że nadal gdzieś istnieją. Amerykanie odwołali się do teorii supersymetrii, która zakłada, że ciemna materia powinna się składać z tzw. superpartnerów cząsteczek elementarnych (cięższych, nierozszczepialnych i pozbawionych ładunku elektrycznego). I tak superpartnerem neutrina byłoby neutralino.