Czy możliwe jest życie oparte na ciemnej materii?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Ogromna większość masy w naszym Wszechświecie jest niewidoczna. Od dłuższego czasu fizycy próbują zrozumieć, czym jest ta nieuchwytna masa. Jeśli składa się z cząstek, istnieje nadzieja, że Wielki Zderzacz Hadronów może wytworzyć cząstkę ciemnej materii lub teleskop kosmiczny zobaczy wymowną sygnaturę zderzeń ciemnej materii w zakresie promieniowania gamma. Jak dotąd nie ma nic. I ten problem skłania fizyków teoretycznych do rozważania nowych pomysłów.

W 2017 roku znana fizyk teoretyczna Lisa Randall przyjrzała się jednej z najbardziej niesamowitych możliwości ciemnej materii. Oczywiście hipotetyczne. Zamiast traktować ciemną materię jako szczególny rodzaj cząstki, założyła, że ciemna materia może składać się z całej rodziny cząstek, które składają się na ciemne gwiazdy, ciemne galaktyki, ciemne planety i prawdopodobnie ciemne życie. Chemia ciemnego wszechświata może być tak bogata i zróżnicowana, jak nasza własna „zwykła chemia”. Ale nie wszystko jest takie proste.

Problem ciemnej materii

Nasz Wszechświat to niesamowite, choć niezrozumiałe miejsce.

W ciągu ostatnich kilku dekad zdaliśmy sobie sprawę, że 84,5% materii we Wszechświecie jest niewidoczne. Biorąc pod uwagę jej dość niezręczny przydomek „ciemna materia”, substancja ta znajduje się w stanie, w którym nie wchodzi w interakcje z „normalną” materią. Podobnie jak ciemna energia, te rzeczy są „ciemne”, ponieważ ich nie rozumiemy.

Jeśli teraz na moim biurku znajdzie się kawałek ciemnej materii, nigdy się o tym nie dowiem. Ogólnie rzecz biorąc, kawałek ciemnej materii jako taki nie może leżeć na moim biurku. Spadnie przez stół, a podłoga i skorupa ziemska wpadną do studni grawitacyjnej w jądrze naszej planety. Albo zniknie w kosmosie w niezrozumiały sposób. Ciemna materia tak słabo oddziałuje ze wszystkim, że ten kawałek po prostu spadnie przez zwykłą materię, jakby jej nie było.

W małej skali grawitacyjna manifestacja ciemnej materii jest znikoma, ale w kosmologicznych odległościach obecność ciemnej materii jest zdecydowanie odczuwalna - pośrednio można to zaobserwować po jej grawitacyjnym wpływie na gromady galaktyk i jej wpływie na rotację galaktyk. Wiemy, że istnieje, po prostu tego nie widzimy.

I nie wiemy co to jest, możemy się tylko domyślać

Materia zwykła - inaczej materia barionowa - oddziałuje za pośrednictwem sił elektromagnetycznych, grawitacyjnych, silnych i słabych. Siły te przenoszą energię i nadają strukturę całej materii. Z drugiej strony ciemna materia jest zwykle postrzegana jako amorficzna chmura „materii”, która nie może oddziaływać za pomocą sił elektromagnetycznych, słabych lub silnych. Dlatego przyjmuje się, że ciemna materia jest „niebarionowa”. Materia niebarionowa może ujawnić swoją obecność tylko grawitacyjnie.

Wiodącym kandydatem w poszukiwaniach ciemnej materii jest WIMP, słabo oddziałująca masywna cząstka. Jak sugeruje nazwa WIMP, ta hipotetyczna cząstka nie wchodzi w interakcje z normalną materią - więc nie jest barionowa.

Ustanowione modele kosmologiczne przewidują, że ciemna materia - czy to w postaci WIMP, czy na przykład "aksji" - nadaje naszemu Wszechświatowi strukturę i jest zwykle w uproszczeniu nazywana "klejem", który utrzymuje nasz Wszechświat jako całość.

Obserwując rotację galaktyk, astronom Vera Rubin zauważyła, że większości materii w galaktykach nie da się zaobserwować. Widoczny jest tylko niewielki procent - gwiazdy, gaz i pył; reszta kryje się w ogromnej, ale niewidocznej aureoli ciemnej materii. To tak, jakby nasza widzialna galaktyka zwykłej materii była tylko kapturem na ogromnym kole ciemnej materii, które rozciąga się daleko poza to, co możemy zobaczyć.

W niedawno opublikowanym artykule (2013) Randall i jej współpracownicy przedstawili bardziej złożoną formę ciemnej materii. Według nich halo ciemnej materii naszej galaktyki nie składa się tylko z jednego typu amorficznej masy materii niebarionowej.

„Wydaje się bardzo dziwne założenie, że cała ciemna materia składa się tylko z jednego rodzaju cząstek” – pisze Randall. „Bezstronny naukowiec nie powinien pozwalać, aby ciemna materia była tak różnorodna, jak nasza normalna materia”.

Bogaty „świat cieni”?

Tak jak naszym widzialnym wszechświatem rządzi Model Standardowy fizyki – dobrze sprawdzona rodzina cząstek (w tym niesławny bozon Higgsa) i sił, czy bogaty i zróżnicowany model cząstek i sił ciemnej materii może funkcjonować w ciemnym galaktycznym halo?

Te badania są zgodne z logiką zakładania, że ciemny sektor wszechświata – nazwijmy go „cieniącym wszechświatem” – który istnieje równolegle do naszego i ma całą złożoność, jaką ma do zaoferowania nasz widzialny wszechświat, jest bogata różnorodność nieznanej fizyki.

Astrofizycy sugerowali wcześniej, że „ciemne gwiazdy” – gwiazdy zbudowane z ciemnej materii – mogą istnieć w naszym starożytnym wszechświecie do dziś. Jeśli tak, twierdzi Randall, być może mogłyby powstać „ciemne planety”. A jeśli istnieje rodzina cząstek ciemnej materii kontrolowana przez siły rozmieszczone w ciemnym sektorze, czy może to doprowadzić do pojawienia się złożonej chemii? A do życia?

Jeśli jednak istnieje „ciemne” lub „mroczne” życie równolegle do naszego wszechświata, możesz zapomnieć, że możemy je wykryć.

Życie w cieniu pozostanie w cieniu

Wydaje się kuszące, aby wykorzystać tę hipotezę do wyjaśnienia wszystkich codziennych tajemnic, a nawet paranormalnych twierdzeń, których nauka nie może kwestionować ani wspierać. A jeśli „duchy” lub niewytłumaczalne „światła na niebie” są wybrykami mrocznych stworzeń żyjących z tyłu wszystkiego?

Chociaż ta logika byłaby w porządku dla programu telewizyjnego lub filmu, te ciemne stworzenia żyłyby w mrocznym wszechświecie, który jest całkowicie niekompatybilny ze zwykłą materią. Ich cząstki i siły nie miałyby wpływu na nasz wszechświat. Mógłbyś przeczytać te wiersze siedząc na pniu drzewa w ciemnym lesie i nigdy się o tym nie dowiesz.

Ale ponieważ współistniejemy z tym cienistym wszechświatem w tej samej czasoprzestrzeni - bez zbędnych wymiarów lub wieloświata - można przesłać tylko jeden sygnał.

Fale grawitacyjne odkryto dopiero w 2016 roku, a pierwsze wykrycie tych zmarszczek w czasoprzestrzeni było spowodowane zderzeniem czarnych dziur. Wydaje się całkiem możliwe, że fale grawitacyjne można wykryć w ciemnym sektorze, ale tylko najsilniejsze zdarzenia kosmiczne w ciemnym sektorze można wykryć na naszym końcu drutu.

Podsumowując, prawie na pewno nigdy nie udowodnimy istnienia uroczych stworzeń z ciemnej materii, ale Randall wskazuje na ważną kwestię. Kiedy rozważamy źródło ciemnej materii, musimy wyjść poza nasze uprzedzenia; ciemny sektor może być złożoną rodziną cząstek i sił ciemnej materii, których nie możemy sobie wyobrazić.