W 1970 roku astronomka Vera Rubin rozpoczęła obserwacje Galaktyki Andromedy. Z zebranych przez nią danych wynikało, że galaktyka ta musi się rozciągać dalej, niż jest widoczna. Oznaczało to, że składa się w dużej części z ciemnej materii. Nauka początkowo odrzuciła jej odkrycie.

Dziś jednak wiemy, że ciemna materia musi stanowić większość materii we Wszechświecie. Inaczej wirujące galaktyki dawno rozpadłyby się pod wpływem siły odśrodkowej. Choć ciemna materia jest dla nas niewidoczna, zakrzywia czasoprzestrzeń tak samo jak zwykła materia. Można ją wykryć dzięki temu, że jej skupiska działają również działają niczym soczewka, co w astronomii nazywa się soczewkowaniem grawitacyjnym.

Zespół ponad czterystu naukowców skupionych w zespole Dark Energy Survey (DES) tworzy najdokładniejszą mapę nieba pokazującą, jak w kosmosie rozkłada się ciemna materia. Mapa powstaje na podstawie obserwacji nieba, które były prowadzone w podczerwieni przez teleskop Victor M. Blanco w Chile przez niemal sześć lat.

Mapa ciemnej materii z ponad 226 milionami galaktyk

Pierwsze wyniki niedawno opublikowane przez DES pochodzą z pierwszych trzech lat obserwacji i obejmują tylko część nieboskłonu. I tak są imponujące, bowiem podczas 345 nocy objęły ponad 226 milionów galaktyk. Jak mówi jeden z liderów projektu, Niall Jeffrey z University College London oraz École Normale Supérieure w Paryżu, mapa obejmuje ponad jedną czwartą nieba widocznego z południowej półkuli.

W większości wyniki obserwacji zgadzają się z tak zwanym standardowym modelem kosmologii. Zakłada on, że Wszechświat powstał w Wielkim Wybuchu kilkanaście miliardów lat temu i w większości – bo aż w 95 procentach – składa się z ciemnej materii oraz ciemnej energii. Ta ostatnia powoduje, że Wszechświat nie tylko stale się powiększa, ale też że dzieje się to coraz szybciej.

Były jednak i niespodzianki. – Odkryliśmy ślady tego, że Wszechświat jest nieco gładszy niż oczekiwaliśmy. Widać te ślady także w innych eksperymentach, badających soczewkowanie grawitacyjne – mówi Niall Jeffrey.

Obserwacje mogą stanowić dowód na istnienie nieznanych praw fizyki

Ogólna teoria względności tego nie przewiduje. Wynika z niej, że ciemna materia powinna być rozłożona mniej równomiernie, a jej skupiska powinny być większe. Autorzy pracy piszą, że może stanowić to dowód na istnienie nieznanych praw fizyki. – Musiałby one podważać prawo ciążenia opisane przez Einsteina – wyjaśnia Jeffrey.

Trzeba zaznaczyć, że nie jest to mocny dowód. Niewiele bowiem o ciemnej materii wiemy. Za anomalie – w porównaniu z przewidywaniami modelu standardowego i teorii względności – może też odpowiadać inny, nieznany jeszcze mechanizm, który sprawił, że galaktyki we wszechświecie rozkładają się właśnie w taki, a nie inny sposób. Nie byłby to pierwszy raz, gdy na podstawie obserwacji kosmosu fizycy postulowaliby istnienie nieznanych wcześniej sił.

Przykład – kosmos w wielkiej skali jest zbyt jednorodny, by mógł być wynikiem samego Wielkiego Wybuchu. Jeśli w początkach jego istnienia był choć trochę niejednorodny (a fizycy nie mają powodów sądzić, że było inaczej), poszerzanie się Wszechświata powinno tylko te niejednorodności wzmocnić. Z tego powodu powstała hipoteza kosmicznej inflacji, która pierwotne kosmiczne „zmarszczki” rozprasowała. Ale takie anomalie może też wyjaśniać zapomniana teoria Einsteina dotycząca skręcania czasoprzestrzeni.

Najpotężniejszy „symulator ciemnej materii”

Wyniki badań obserwacyjnych, takich jak DES właśnie, można zestawiać z wynikami komputerowych symulacji ewolucji Wszechświata. Powstał właśnie najpotężniejszy do tej pory „symulator Wszechświata”. Nazwany został AbacusSummit i przeprowadził już 160 różnych symulacji tego, jak grawitacja mogła wpłynąć na rozkład ciemnej materii.

Dzięki swojej konstrukcji Abacus może wyliczać ruch 70 milionów „cząstek” na sekundę na jeden węzeł obliczeniowy sieci. Jednocześnie może analizować symulacje podczas ich przebiegu. Każda „cząstka” w tej symulacji odpowiada ciemnej materii o masie 3 miliardów mas Słońca.

Wyniki symulacji opublikowano jednak dopiero przedwczoraj. Na stwierdzenie, do którego scenariusza pasują obserwacje kosmosu, takie jak Dark Energy Survey, będziemy musieli poczekać.
 

Źródła: DES, CfA Harvard-Smithsonian.