Materia întunecatăMateria întunecată este Goliat-ul care se presupune că domină galaxia noastră. Dar s-ar putea să îl fi întâlnit deja pe David, ucigaşul său. Carlos Frenk ar putea fi acum mulţumit de faptul că nimeni nu îl mai consideră un trăznit, dar el nu a fost întotdeauna la fel de norocos.

 

 

 

”Când luam cuvântul la diverse conferinţe, oamenii aproape că aruncau cu roşii stricate în mine”, a spus Frenk.

Vina lui consta în faptul că era un susţinător fervent al ideii, pe atunci controversate – că cea mai mare parte din materia Universului constă dintr-o supă rece, densă şi invizibilă de ”materie întunecată”. În prezent toată lumea este convinsă cu tărie de acest lucru. Ori de câte ori se acumulează materie întunecată, aceasta este urmată cu uşurinţă de către materia normală, atrasă irezistibil de către covârşitoarea ei gravitate dominantă. Din această materie se formează stele şi apoi se nasc galaxii – străfulgerări slabe de lumină într-un imperiu  al întunericului.

Dar tocmai încrederea neştirbită cu care se fac acum aceste afirmaţii, a început să îl îngrijoreze pe Frenk: ”am realizat brusc că tinerii oameni de ştiinţă abordau materia întunecată  de la sine înţeles şi am fost absolut scandalizat”, a spus el. Punctul său de vedere are sens. Experimentele care şi-au propus să simuleze materia întunecată nu au produs nimic până în momentul de faţă, iar căutările privind fluxul de particule ale acesteia pe Pământ  a generat rezultate confuze şi contradictorii. Modelele propuse despre cum materia întunecată plămădeşte  cosmosul vizibil ezită între confirmări triumfătoare şi contradicţii abisale.

Eu însumi ca tânăr teoretician cosmolog, mă număr printre discipolii materiei întunecate. După părerea mea, sunt mult prea multe fenomene în Univers care nu s-ar putea explica fără existenţa acesteia. Dar  trebuie să fie o cale de ieșire din marile dileme. Materia întunecată într-adevăr există, este necesar doar  să regândim ideea că ea ar deţine tot controlul în cosmosul nostru presărat cu stele. 

Era aproape cu un deceniu în urmă când la cursul universitar de fizică mi s-a prezentat ideea că o parte de cinci şesimi a materiei din Univers este invizibilă. A fost iniţial invocată materia întunecată pentru a explica observaţiile din anii 1930 potrivit cărora clusterele de galaxii se rotesc prea rapid pentru cantitatea obişnuită de materie conţinută. În anii 1970 argumentul materiei întunecate a fost folosit, de asemenea, pentru a explica de ce galaxiile se rotesc prea repede, ca şi cum ar fi trase de un remorcher extragravitaţional suplimentar.  Chiar şi aşa, îmi amintesc că mă gândeam că explicaţiile s-ar putea baza şi pe magicul praf de stele al zânelor.

Dar experienţa m-a transformat într-un credincios adept al existenţei materiei întunecate. Felul în care galaxiile şi alte corpuri cereşti masive curbează lumina vine în sprijinul ideii că în cosmos există mult mai mult decât poate cuprinde ochiul omenesc. Modele de radiaţii ale microundelor cosmice, amurgul big bang-ului, dezvăluie materia Universului timpuriu angrenată într-o competiţie bine echilibrată între contracţia gravitaţională şi presiunile expansive într-un mod care confirmă în detalii uimitoare, teoria existenţei materiei întunecate. În propria mea cercetare cu privire la formarea galaxiilor, pentru a reproduce reţeaua  galaxiilor ca pe o imensă pânză de fire toarse şi răspândite peste tot cosmosul aveam nevoie de materia întunecată, exact aşa cum Frenk şi ceilalţi şi-au imaginat-o: o supă rece al cărei conţinut aproape că nu se mişcă.

Retragerea


Este îmbucurător faptul că fizica particulelor oferă de-a gata reţeta acestei supe. Teoria supersimetriei este un pas înapoi faţă de modelul standard cu privire la particule şi interacţiunile acestora. Ea oferă realităţii o oglindă matematică afirmând că fiecare particulă descoperită până în prezent are de obicei un partener mai greu decât ea. Unii dintre aceşti super-parteneri interacţionează slab cu particule masive, sau ceea ce numim WIMP (engl. laş, fricos). Acestea au masă (deci produc gravitate şi reacţionează la ea), dar nu interacţionează cu lumina (şi deci nu pot fi văzute). Numărul acestor particule care ar fi fost  create la Big Bang coincide  cu densitatea materiei întunecate dedusă din observaţiile cosmologice – o conjuncție fericită cunoscută uneori şi sub numele de miracolul WIMP.

Dar miracolele pot avea loc cu adevărat ? Niciun experiment de  producere a particulelor supersimetrice, nici  măcar experimentul cu acceleratorul de particule  Large Hadron Collider (LHC) de la CERN, lângă Geneva, Elveţia nu a dat de urma lor până acum.  Cea mai simplă teorie supersimetrică a fost deja respinsă şi versiuni mult mai complexe îşi aşteaptă soarta când LHC va reporni cu o energie sporită, probabil în 2015.  ”După aceea, dacă nu se găsesc particulele supersimetrice în decurs de un an, cred că se va abandona şi această cale de cercetare” a declarat Ben Allanach, un teoretician al fizicii particulelor de la Universitatea Cambridge.  ”Eu unul voi dori să încep să lucrez la alte noi proiecte şi cred că şi alţii simt la fel ca mine”.

Dar aceasta nu este singura dificultate. Experimentele Fiddly în căutarea amprentei cosmice a particulelor WIMP pe măsură ce curg  din spaţiu au dat naştere la rezultate contradictorii. Experimentul DAMA de la Laboratorul Naţional Gran Sasso din centrul Italiei a descoperit un semnal care se schimbă ciclic la un an. Cam la aceasta ar trebui să ne aşteptăm dacă Pământul se mişcă  în raport cu o mare de întuneric rece şi calmă, pe măsură ce se rostogoleşte în jurul soarelui – dar alte experimente contrazic în mod categoric această descoperire. Misiuni spaţiale precum cele ale satelitului PAMELA şi ale Spectometrului Magnetic Alpha de la bordul Staţiei Spaţiale Internaţionale au  măsurat excesul de particule de antimaterie care s-ar putea produce dacă două particule WIMP intră în coliziune – dar rezultatele nu corespund aşteptărilor noastre.

În general ”scepticismul cu privire la detectarea materiei întunecate este imens, deoarece aceasta este total respinsă de alte experimente care dovedesc contrariul”, spune Frenk.

Poate că cea mai grea lovitură adusă acestei teorii este faptul că atunci când analizăm detaliile materiei întunecate pe bază de particule WIMP, aceasta nu pare a fi sculptorul desăvârşit al galaxiei aşa cum s-a crezut. Anul trecut, Michael Boylan-Kolchin, un cosmolog de la Universitatea Irvine din California a difuzat simulări ale efectelor  materiei întunecate şi reci asupra mini-galaxiilor sferoidale pitice care viermuiesc în jurul Căii Lactee. Boylan-Kolchin ar putea deduce conţinutul de materie întunecată din aceste galaxii pitice urmărind felul în care stelele se deplasează în interiorul acestora (Informări lunare ale Societăţii Astronomice Regale, vol. 415, p. L40). ”Nu părea să aibă sens: totul era mai masiv şi mai dens în simulare spre deosebire de universul real”, a spus el.

Este oare timpul să schimbăm ordinea candidaţilor pentru materia întunecată?

O supă mai caldă


Există şi alte alternative la aceasta reţetă. Dacă mai degrabă decât un gazpacho rece, materia întunecată ar fi fost o supă fierbinte de particule acestea s-ar întrepătrunde şi ar forfeta mai uşor formând astfel galaxii mai difuze. În anii 1980 măsurătorile neutrinilor au convins unii cercetători că masa colectivă a acestor particule ciudate, care gonesc cu o viteză apropiată de cea a luminii, ar putea fi deajuns pentru a explica existenţa materiei întunecate. Dar s-a dovedit că masa acestora a fost supraestimată enorm şi materia întunecată fierbinte pe bază de neutrini a ridicat o problemă opusă  celei privind materia întunecată rece, şi anume faptul că se deplasa prea repede pentru a se putea stabili vreodată în structuri relativ compacte de tipul galaxiilor.

Dar mai există şi o a treia cale. Cu doi ani în urmă, Frenk a lucrat împreună cu echipa sa la soluţia ”Goldilock”: materie întunecată, care nu este nici prea caldă, nici prea rece, ci tocmai potrivită (a se vedea diagrama). Spre surprinderea lor , au putut obţine  o variantă călduţă a materiei întunecate care să producă galaxii pitice sferoidale fără să distrugă restul cosmologiei (Informări lunare ale Societăţii Astronomice Regale, vol. 420, p. 2318).

Dar nici această a treia cale nu este lipsită de problemele ei. Candidatul cel mai potrivit pentru obţinerea unei materii întunecate calde este un frate geamăn al neutrinului mai greu şi mai evaziv – foarte dificil de sesizat, cunoscut sub numele de neutrin steril. LCH poate fabrica indirect neutrini sterili prin coliziunea particulelor, dar semnătura acestora este atât de subtilă încât poate trece neobservată. Cea mai bună speranţă de a detecta neutrinii sterili este atunci când aceştia provin din neutrinii normali care se transformă spontan şi dispar astfel de pe ecranul radar al detectorului.

Astfel dacă materia întunecată caldă este soluţia, înseamnă că experimente precum DAMA şi-au îndreptat cercetările în sensuri greşite. ”Din punct de vedere experimental ar fi foarte tragic pentru că s-au făcut investiţii uriaşe, în special pentru detectarea particulelor WIMP”, a spus Frenk. Această idee are, de asemenea, consecinţe şi asupra teoreticienilor deoarece materia întunecată călduţă  este un concept complet separat de  acel tip de particule prezise de teoria supersimetriei, ceea ce slăbeşte mult atât credibilitatea teoriei particulelor WIMP, cât şi pe cea a supersimetriei.

Între timp, Jorge Peñarrubia de la Universitatea Edinburgh din Marea Britanie a cercetat împreună cu colegii săi felul în care materia întunecată este distribuită în interiorul galaxiilor pitice sferoidale din apropiere. Se pare că este distribuită în mod egal pe diametrul acestora (The Astrophysical Journal, vol 742, p 20). ”Această densitate constantă este ceva la care nu ne-am aşteptat” a spus  Peñarrubia. Simulările cu orice tip de temperatură a materiei întunecate – rece, fierbinte sau caldă – produc galaxii pitice care sunt grupate mai dens către centrul lor. Această discrepanță între teorie şi observaţie se repetă şi la galaxiile ceva mai mari şi mai îndepărtate. Anumite ”arome exotice” ale materiei întunecate ar putea fi de ajutor, de pildă materia întunecată auto-interactivă, acele particule care ricoşează în mod constant şi şi nu pot fi sculptate pentru a deveni cuspide centrale înguste. Dar nu reuşim să aflăm cum o particulă ipotetică ar ”ţopăi” în jurul numărului potrivit de galaxii pitice şi nu atât de mult în clusterele de galaxii. Din punctul meu de vedere acest tip de ”supă” nu miroase prea bine.

Aşa că ne aflăm într-un impas. Materia întunecată rece nu îndeplineşte chiar toate funcţiile pe care suntem dispuşi să i le atribuim, dar acest lucru este valabil pentru multe necunoscute pe care umanitatea încă le studiază. Şi totuşi supoziţia mea este că, oricât ar părea de ciudat, materia întunecată rece este ceea ce trebuie să fie numai că preţul pe care îl avem de plătit este de a înceta să ne-o imaginăm ca pe o forţă totalitară care guvernează galaxiile. Pe parcursul vieţii lor, stelele generează o cantitate uriaşă de energie. Când li se apropie sfârşitul, ele explodează în supernove. Gazele care se mişcă în spirală spre găurile negre generează o cantitate uriaşă de căldură. Energia de la aceste surse este de ajuns pentru a trimite cantităţi uriaşe de gaze turbionare care se deplasează violent în jurul interiorului unei galaxii. Materia întunecată nu este imună la aceste uriaşe agitaţii gravitaţionale : începe să se deplaseze în mod concentrat. Simulările pe care eu şi o serie de colegi le-am făcut în ultimii câţiva ani sugerează că, dacă gazul normal este agitat îndeajuns, acesta slăbeşte materia întunecată frământând-o aşa cum se face cu fulgii de zăpadă pentru a forma un bulgăre. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 421, p 3464).

Particulele de materie întunecată pot deveni din nou reci şi supersimetrice, ele pur şi simplu se vor înfierbânta  atunci când sunt bruscate de exuberanţa materiei normale.  Energia crescândă a acestei supe  protogalactice o împiedică să se coaguleze prea dens, astfel încât structura sateliţilor pitici din Calea Lactee devine încă o dată explicabilă. Singura enigmă care persistă este de ce cercetările directe privind materia întunecată au dat naştere până în prezent la astfel de rezultate ambigue. Poate fiindcă experimentele de ultimă oră în domeniul fizicii particulelor sunt  foarte dificile. Peñarrubia este de părere că ”redistribuirea materiei întunecate necesită cantităţi enorme de energie, iar exploziile supernovelor sunt singurele astfel de surse plauzibile”. Dar el atrage atenţia asupra faptului că supernovele nu sunt de ajuns pentru a produce pe cont propriu galaxii pitice sferoidale de densitatea potrivită. ”Numărul mic de stele din aceste galaxii limitează valorile energiei supernovei la strictul necesar” a declarat el. Boylan-Kolchin este, de asemenea, sceptic privind graba cu care se amestecă teoria exploziilor cosmice oferind soluţii la toate problemele. ”În opinia mea personală este puţin probabil ca aceste efecte să poată salva teoria materiei întunecate reci”, a spus el.

Semnale ascunse

Sigur că eu sunt de părere că Boylan-Kolchin este pesimist - şi doresc să menţionez o altă dovadă deşi este la stadiul de început deocamdată,  în sprijinul ideii materiei normale turbulente care loveşte materia întunecată din jurul ei. Această dovadă este furnizată de Fermi – telescopul  NASA prin satelit, cu raze gama, trimis din 2008 în căutarea de semnale vizibile emise de materia întunecată. Totul ar putea părea inutil în ideea că materia întunecată nu poate fi văzută. Dar chiar teoria materiei întunecate reci sugerează că se pot vedea semne indirecte ale acesteia, de pildă, particulele ei se ciocnesc şi se anihilează într-un suflu de energie și un flash foarte vizibil de raze gama de lumină.

Alte locuri unde am mai putea căuta dovezi sunt şi sateliţii pitici din Calea Lactee. Ei se află aproape şi fireşte că sunt foarte neclari, ceea ce înseamnă că orice fotoni în raze gama de la ei se presupune că provin din anihilările de particule produse în materia întunecată.  Dar oficial acestea nu au fost încă detectate. ”În concluzie, până acum nu s-a detectat niciun semnal”, a declarat  Andrea Albert de la Universitatea de stat Ohio din Columbus, membru în echipa Fermi.

Cu toate acestea, anul trecut în aprilie, un cercetător din afara sferei de colaborare Fermi – Christoph Weniger, de la Institutul de Fizică Max Planck din Munchen, Germania a surprins lumea astrofizicii sugerând că Fermi ar fi detectat cu adevărat un semnal de la materia întunecată – nu de la galaxiile pitice, ci chiar din inima apropiată a Căii Lactee. Munca sa a arătat că  datele privind semnalarea unui exces semnificativ de raze gama din acea direcţie, toate cu aceeaşi energie de aproximativ 130 de gigaelectrovolţi, au fost ”îngropate” printre datele generale de la satelitul Fermi care au fost făcute publice (Jurnalul de Astrofizică şi Fizica Particulelor DOI: 10.1088/1475-7516/2012/08/007).

Semnalul este slab şi nu este mai puternic în centrul Căii Lactee, unde ne-am aştepta să se acumuleze materia întunecată, ci cam la un grad depărtare de centru. Acest dezechilibru dă naştere suspiciunii că ar putea fi produsul unei necunoscute calibrări greşite  a telescopului.

O altă alternativă ar fi că materia normală ar putea lovi materia întunecată din preajmă. Cel puţin aşa demonstrează simulările efectuate anul trecut de Mike Kuhlen de la Universitatea Berkeley din California. ”Am rămas surprins, dar se poate vedea aproape imediat cum se compensează materia întunecată când gazele şi stelele sunt incluse”, a declarat el.

Deci totul este bine cu materia întunecată standard, atâta timp cât se iau în calcul efectele materiei normale. Nu aşa de repede, spune Frenk. În cazul în care particulele supersimetrice care se anihilează reciproc au fost sursa de raze gama, ei ar trebui să le producă nu cu o energie standard, ci prin răspândire: mecanismul de anihilare generează electroni şi pozitroni, care renunţă în mod gradat la energia lor în convulsii şi explozii. ”Ceea ce este absolut fascinant, dar nu cred că am găsit încă nimic”.

Lucrurile s-ar putea schimba într-o clipă dacă multitudinea experimentelor pornite în căutarea materiei întunecate ar începe să producă rezultate coerente.  Dar este vorba despre un proces care în cel mai bun caz va dura ani de zile. Între timp rezultatele contradictorii sunt ca sunetele muzicii pentru urechile lui Frenk. ”Noi nu ştim dacă  materia întunecată rece este răspunsul. Însă dacă toată lumea cumpără o idee de-a gata, riscăm să nu progresăm niciodată”.



Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului The stuff that really rules the cosmos, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Daniela Albu

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.