Cold Dark Matter (CDM)

Wszechświat składa się z co najmniej dwóch rodzajów materii. Przede wszystkim możemy wykryć materiał, który astronomowie nazywają materią „barionową”. Uważana jest za „zwykłą” materię, ponieważ składa się z protonów i neutronów, które można zmierzyć. Materia barionowa obejmuje gwiazdy i galaktyki oraz wszystkie zawarte w nich obiekty.

Istnieją również „rzeczy” we wszechświecie, których nie można wykryć za pomocą zwykłych środków obserwacji. Jednak istnieje, ponieważ astronomowie mogą mierzyć swój wpływ grawitacyjny na materię barionową. Astronomowie nazywają ten materiał „ciemną materią”, ponieważ cóż, jest ciemno. Nie odbija ani nie emituje światła. Ta tajemnicza forma materii stanowi poważne wyzwanie dla zrozumienia wielu rzeczy dotyczących wszechświata, sięgając od samego początku, około 13,7 miliarda lat temu.

Kilkadziesiąt lat temu astronomowie odkryli, że we wszechświecie nie ma wystarczającej masy, aby wyjaśnić takie rzeczy, jak rotacja gwiazd galaktyki oraz ruchy gromad gwiazdowych. Masa wpływa na ruch obiektu w przestrzeni, niezależnie od tego, czy jest to galaktyka, gwiazda czy planeta. Sądząc po tym, jak obracały się niektóre galaktyki, wydawało się, że gdzieś jest więcej masy. Nie został wykryty. Jakoś „zaginęło” w inwentarzu masy, które zgromadzili za pomocą gwiazd i mgławic, aby przypisać galaktyce daną masę.

Naukowcy zaczęli głębiej kopać, aby dowiedzieć się, gdzie zniknęła cała brakująca masa. Uważali, że być może nasze rozumienie fizyki, tj. ogólna teoria względnościbył wadliwy, ale zbyt wiele innych rzeczy się nie sumowało. Zdecydowali więc, że być może masa wciąż tam jest, ale po prostu nie jest widoczna.

Chociaż wciąż jest możliwe, że brakuje nam czegoś fundamentalnego w naszych teoriach grawitacji, druga opcja była bardziej przyjemna dla fizyków. Z tego objawienia narodziła się idea ciemnej materii. Istnieją dowody obserwacyjne wokół galaktyk, a teorie i modele wskazują na udział ciemnej materii we wczesnej fazie powstawania wszechświata. Astronomowie i kosmolodzy wiedzą, że jest na zewnątrz, ale jeszcze nie odkryli, co to jest.

Czym więc może być ciemna materia? Na razie są tylko teorie i modele. Można je podzielić na trzy ogólne grupy: gorąca ciemna materia (HDM), ciepła ciemna materia (WDM) i zimna ciemna materia (CDM).

Spośród nich CDM od dawna jest wiodącym kandydatem na to, czym jest ta brakująca masa we wszechświecie. Niektórzy badacze nadal opowiadają się za teorią kombinacji, w której aspekty wszystkich trzech rodzajów ciemnej materii istnieją razem, tworząc całkowitą brakującą masę.

CDM jest rodzajem ciemnej materii, która, jeśli istnieje, porusza się powoli w porównaniu do prędkości światła. Uważa się, że był obecny we wszechświecie od samego początku i najprawdopodobniej wpłynął na wzrost i ewolucję galaktyk. a także powstawanie pierwszych gwiazd. Astronomowie i fizycy uważają, że najprawdopodobniej jakaś egzotyczna cząstka nie została jeszcze wykryta. Najprawdopodobniej ma pewne bardzo specyficzne właściwości:

Musiałby brakować interakcji z siłą elektromagnetyczną. Jest to dość oczywiste, ponieważ ciemna materia jest ciemna. Dlatego nie wchodzi w interakcje, nie odbija ani nie promieniuje żadnego rodzaju energii w widmie elektromagnetycznym.

Jednak każda kandydująca cząstka, która tworzy zimną ciemną materię, musiałaby wziąć pod uwagę, że musi oddziaływać z polem grawitacyjnym. Na dowód tego astronomowie zauważyli, że akumulacje ciemnej materii w gromadach galaktyk wywierają grawitacyjny wpływ na światło z bardziej odległych obiektów, które mijają. To tzw „efekt soczewkowania grawitacyjnego” był obserwowany wiele razy.

Chociaż żadna znana materia nie spełnia wszystkich kryteriów zimnej ciemnej materii, opracowano co najmniej trzy teorie wyjaśniające CDM (jeśli istnieją).

• Słabo oddziałujące ogromne cząstki: Znany również jako WIMP, cząsteczki te z definicji spełniają wszystkie potrzeby CDM. Jednak nigdy nie znaleziono takiej cząstki. WIMP stały się terminem „catch-all” dla wszystkich kandydatów na zimną ciemną materię, bez względu na to, dlaczego uważa się, że cząsteczka powstaje.
• Osie: Cząstki te posiadają (przynajmniej marginalnie) niezbędne właściwości ciemnej materii, ale z różnych powodów prawdopodobnie nie są odpowiedzią na pytanie o zimną ciemną materię.
• MACHO: To akronim od Masywne kompaktowe obiekty Halo, które są obiektami takimi jak czarne dziurystarożytny gwiazdy neutronowe, brązowe karły i obiekty planetarne. Wszystkie są niepoświetlone i masywne. Jednak ze względu na ich duże rozmiary, zarówno pod względem objętości, jak i masy, byłyby stosunkowo łatwe do wykrycia poprzez monitorowanie zlokalizowanych oddziaływań grawitacyjnych. Występują problemy z hipotezą MACHO. Na przykład obserwowany ruch galaktyk jest jednorodny w sposób, który byłby trudny do wyjaśnienia, gdyby MACHO dostarczyły brakującą masę. Ponadto gromady gwiazd wymagałyby bardzo równomiernego rozmieszczenia takich obiektów w ich granicach. To wydaje się bardzo mało prawdopodobne. Ponadto sama liczba MACHO, które musiałyby być dość duże, aby wyjaśnić brakującą masę.

W tej chwili tajemnica ciemnej materii nie ma jeszcze oczywistego rozwiązania. Astronomowie kontynuują projektowanie eksperymentów w poszukiwaniu tych nieuchwytnych cząstek. Kiedy dowiedzą się, czym są i jak są rozmieszczeni we wszechświecie, odblokują kolejny rozdział w naszym rozumieniu kosmosu.