Brian Clegg

Ciemna materia i ciemna energia

Tajemnicze 95% wszechświata

Przekład: Tomasz Lanczewski

Tytuł oryginału: Dark Matter & Dark Energy. The Hidden 95% of the Universe
Tłumaczenie z języka angielskiego: Tomasz Lanczewski
Adiustacja i korekta: Artur Figarski
Projekt składu i skład: Artur Figarski
Zdjęcie na okładce: istockphoto.com

Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji.

Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli.

Autor oraz wydawca dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz wydawca nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce.

Redaktor prowadzący: Jacek Włodarczyk Book Marketing Research Sp. z o.o.

Helion S.A.
ul. Kościuszki 1c, 44-100 Gliwice
tel. 32 230 98 63
e-mail: redakcja@helion.pl
WWW: helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek)

Drogi Czytelniku!
Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres
WWW: helion.pl/user/opinie/ciemat_ebook
Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję.

Wydanie I, 2025
ISBN: 978-83-289-1874-0
Text copyright © 2019 Icon Books Ltd

Polish edition copyright © 2025 by Helion S.A.

- Kup w wersji papierowej

- Poleć książkę na Facebook.com

- Oceń książkę

- Księgarnia internetowa

- Lubię to! » Nasza społeczność

Dla Gillian, Rebekki i Chelsea

1
RZECZY NIE SĄ TAKIE, NA JAKIE WYGLĄDAJĄ

Ukryte głębie

Wszechświat to ogromne miejsce: niewyobrażalnie wielkie w skali wszystkiego, czego możemy bezpośrednio doświadczyć. Prawdę mówiąc, tak naprawdę nie wiemy, jak jest on duży, choć widzialna jego część ma około 91 miliardów lat świetlnych średnicy. Biorąc pod uwagę, że rok świetlny (odległość, jaką światło pokonuje w ciągu roku) wynosi około 9,46 biliona kilometrów[*], to całkiem spora odległość. A ponieważ wszechświat zawiera wiele miliardów galaktyk, z których większość składa się z miliardów gwiazd, jest w nim naprawdę mnóstwo różnych rzeczy. Jednak w XX wieku dwa wyzwania dla naszego rozumienia natury wszechświata sprawiły, że to, co kiedyś uważaliśmy za wszystko, okazuje się stanowić jedynie około 5 procent rzeczywistości.

W zamierzchłej przeszłości obraz tego, z czego składa się wszechświat, był prosty. Starożytny grecki filozof Arystoteles wykorzystał istniejącą wówczas teorię czterech żywiołów – ziemi, wody, powietrza i ognia – i dodał piąty, kwintesencję lub eter, który jego zdaniem stanowił budulec niezmiennych niebios. W miarę rozwoju astronomii i nauki wyszło na jaw, że model Arystotelesa był błędny. W XIX wieku możliwe stało się wykrycie pierwiastków chemicznych obecnych w gwiazdach – i okazały się one takie same jak te, które znajdowały się na Ziemi. Na początku XX wieku pięć żywiołów zostało zastąpionych przez około 94 naturalnie występujące w przyrodzie pierwiastki układu okresowego, a każdy z nich składa się z bardzo niewielu cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów.

Choć w kolejnych dekadach zeszłego stulecia odkryto, że protony i neutrony to twory złożone z jeszcze mniejszych składników, to ogólny obraz całości zbudowanej z garstki prostych elementów nie uległ zmianie. Jednak pewien ciąg wydarzeń miał zburzyć ten uproszczony obraz. Jeśli mielibyśmy sformułować tylko jedno przykazanie, na którym opiera się nauka, to brzmiałoby ono: „Rzeczy są bardziej skomplikowane, niż nam się wydawało”. A koncepcja, że wszystko, co istnieje we wszechświecie, może składać się z kilku cząstek materii, światła i czterech sił[**], nie przetrwała próby czasu. Stopniowo zaczęły ujawniać się dziwne odstępstwa od tego ułożonego modelu.

Naukę często błędnie postrzega się jako dziedzinę polegającą na gromadzeniu faktów. Choć z pewnością stanowi ono istotny aspekt wiedzy, nie jest jej sednem. Jak zauważył amerykański biolog Stuart Firestein w swojej książce Ignorance (Niewiedza), w nauce nie jest ważne to, co już wiemy: „Praktykujący naukowcy nie grzęzną w bagnie faktów. Rzeczy nie są takie, na jakie wyglądają, ponieważ uczeni nie przywiązują zbyt wielkiej wagi do faktów. Nie chodzi o to, że je lekceważą czy ignorują, ale o to, że nie traktują ich jako celu samego w sobie. Nie zatrzymują się na faktach; rozpoczynają swoje działania tam, gdzie fakty się wyczerpują, tuż poza nimi”.

A fakty dotyczące tego, z czego zbudowany jest wszechświat, dla szwajcarskiego astronoma Fritza Zwicky’ego zaczęły się wyczerpywać w 1933 roku.

Niepokorne galaktyki Zwicky’ego

Powszechnie uważa się, że Zwicky był postacią nietuzinkową. Urodził się w Warnie w Bułgarii w 1898 roku, jako syn wpływowego przedsiębiorcy i polityka szwajcarskiego pochodzenia. W wieku sześciu lat został wysłany do Szwajcarii, by mieszkać ze swoją dalszą rodziną. Studiował matematykę i fizykę w macierzystej uczelni Einsteina, Szwajcarskiej Politechnice Federalnej w Zurychu. Choć pozostał obywatelem Szwajcarii, większość zawodowego życia spędził w Kalifornijskim Instytucie Technicznym, gdzie pracował od 1925 roku.

Podobnie jak jego młodszy kolega, angielski astrofizyk Fred Hoyle, Zwicky słynął z bogatej wyobraźni, tworząc wiele nowych koncepcji w astrofizyce i kosmologii. Nieuchronnie część tych pomysłów okazała się jedynie czystą spekulacją – wpisywało się to w charakter tej dziedziny nauki. W kręgach fizyków jeszcze w latach siedemdziesiątych często żartowano, że „są spekulacje, potem jeszcze więcej spekulacji, a na końcu kosmologia”. Jednak nawet według standardów kosmologicznych niektóre idee Zwicky’ego były wyjątkowo śmiałe.

Podobnie jak Hoyle, Zwicky mimo niezwykłej wyobraźni miał na swoim koncie imponujące sukcesy. Wraz z niemieckim astronomem Walterem Baade jako pierwszy na poważnie rozważał koncepcję gwiazdy neutronowej – czyli takiej, która po zapadnięciu staje się niesamowicie gęstym zbiorem neutronów[***]. To on ukuł termin „supernowa” na określenie eksplozji, która prowadzi do powstania takiej gwiazdy, i odkrył wiele pozostałości po supernowych.

Inny znaczący wkład Zwicky’ego miał swoje źródło w ogólnej teorii względności Einsteina. Model ten opisuje oddziaływanie między materią a czasoprzestrzenią (patrz strona 107) – materia zakrzywia czasoprzestrzeń w swoim otoczeniu, co wywołuje efekty nazywane przez nas grawitacją. W ogólnej teorii względności zawarta jest idea, że masywne obiekty powodują uginanie się promieni światła, ponieważ przestrzeń, przez którą przechodzi światło, ulega deformacji przez materię. Jak to ujął amerykański fizyk John Wheeler: „Czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać; materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać”. Zwicky zauważył, że efekt ten jest podobny do działania znanego już w starożytności urządzenia optycznego – soczewki.

Soczewki (nazwane po łacinie lens – soczewica, ponieważ kształtem przypominają nasiono tej rośliny) zakrzywiają bieg promieni świetlnych w różnym stopniu, w zależności od grubości szkła, przez które światło przechodzi. Zaokrąglony kształt soczewki zmienia ścieżkę promieni świetlnych o coraz większą wartość w miarę oddalania się od środka, ponieważ szkło znajduje się pod coraz większym kątem względem padającego na nią światła. Dzięki temu soczewka zbiera promienie światła docierające do niej z różnych miejsc i skupia je w jednym punkcie.

Rozważając sposób działania soczewki, Zwicky doszedł do wniosku, że niezwykle masywny obiekt, taki jak galaktyka, może wywierać podobny wpływ na przechodzące obok niego światło. Jeśli wyobrazimy sobie światło podróżujące z odległego obiektu znajdującego się za galaktyką, część tego światła będzie poruszać się blisko jej krawędzi. Jednak ogromna masa galaktyki zakrzywi promienie świetlne do wewnątrz ze wszystkich stron, skupiając światło w dużej odległości przed galaktyką. Gdybyśmy znajdowali się w odpowiednim miejscu, a obraz byłby rzutowany w taki sposób, że nie zostałby przyćmiony przez światło pochodzące od galaktyki, zjawisko to – znane jako „soczewkowanie grawitacyjne” – pozwoliłoby nam zobaczyć bardzo odległy obiekt, wykorzystując pośrednią galaktykę jak soczewkę w gigantycznym teleskopie.

Soczewkowanie grawitacyjne polega na tym, że widoczny obiekt – w tym przypadku galaktyka – wywiera grawitacyjny wpływ na przechodzące obok światło. Jednak największe odkrycie Zwicky’ego dotyczyło innego grawitacyjnego efektu, który wydawał się pochodzić z niewidzialnego źródła. Badał on grupę galaktyk znaną jako Gromada w Warkoczu Bereniki (Abell 1656). Galaktyki to ogromne struktury – na przykład nasza Droga Mleczna, będąca dość przeciętną dużą galaktyką, ma ponad 150 tysięcy lat świetlnych średnicy. Zawierające miliardy gwiazd galaktyki wywierają olbrzymi wpływ grawitacyjny na swoje otoczenie, co sprawia, że łatwo tworzą gromady z innymi galaktykami, utrzymując się razem dzięki sile grawitacji.

Światło z odległego obiektu jest skupiane przez pośrednią galaktykę, działającą jak soczewka grawitacyjna.

Adaptacja obrazu udostępnionego przez ESA/ATG Medialab.

Źródło ilustracji: B. Clegg, Dark Matter & Dark Energy, Icon Books 2019, s. 5.

Gromada w Warkoczu Bereniki znajduje się około 320 milionów lat świetlnych od nas i składa się z ponad tysiąca galaktyk. Jako najbliższa sąsiadująca gromada względem naszej grupy lokalnej, obejmującej Drogę Mleczną (czyli Supergromady w Pannie, zwanej też Supergromadą Lokalną), od dawna wzbudzała duże zainteresowanie astronomów. Jednak gdy w 1933 roku Zwicky zaczął analizować zachowanie tej gromady, zauważył coś dziwnego. Okazało się, że nie powinna ona utrzymywać się w całości.

Ogólnie rzecz biorąc, wszystko we wszechświecie się obraca. Zjawisko to jest nam dobrze znane na przykładzie naszego Układu Słonecznego. Ziemia kręci się wokół własnej osi raz na dobę i krąży wokół (również wirującego) Słońca raz na rok, podobnie jak inne planety, każda z charakterystycznym dla siebie okresem obiegu. Planety, księżyce, gwiazdy, układy planetarne, galaktyki i gromady galaktyk – wszystkie te obiekty obracają się. Wynika to ze sposobu, w jaki powstały. Struktury te utworzyły się z obłoków gazu i pyłu, które zostały przyciągnięte ku swemu centrum przez siłę grawitacji. Gdyby obłoki te były idealnie symetrycznie rozproszone w przestrzeni, mogłyby zapaść się bez wywołania obrotu. W rzeczywistości jednak znacznie bardziej prawdopodobne jest, że więcej materii będzie się znajdować z jednej strony niż z drugiej. Kiedy materia jest przyciągana do środka, wynikiem tej nierównowagi jest pojawienie się ruchu obrotowego całej konfiguracji.

Nic więc dziwnego, że Gromada w Warkoczu Bereniki również się obraca. Zwicky powiązał prędkość obrotu gromady z przybliżoną ilością zawartej w niej materii – i wpadł w osłupienie. Wyglądało na to, że gromada obraca się na tyle szybko, iż powinna się rozpaść, podobnie jak bryła gliny nierównomiernie umieszczona na szybko wirującym kole garncarskim. Grawitacja może utrzymać ciała na orbitach tylko przy odpowiedniej prędkości. Jeśli krążące ciało porusza się zbyt szybko, przekroczy „prędkość ucieczki” układu i opuści go. A według obliczeń Zwicky’ego, Gromada w Warkoczu Bereniki obracała się nie tylko trochę za szybko, ale wielokrotnie za szybko.

Zwicky oszacował, że w gromadzie powinno znajdować się 400 razy więcej masy, aby pozostała ona stabilną. (Od czasów Zwicky’ego wartość ta uległa zmniejszeniu, ale gromada nadal obraca się zbyt szybko w stosunku do zakładanej zawartości materii). Uznał, że jedynym wyjaśnieniem tego zjawiska może być obecność dużej ilości materiału w gromadzie, którego nie można było wykryć. Nazwał tę nieznaną substancję po niemiecku dunkle Materie, co tłumaczy się jako „ciemna materia”.

Może wydawać się dziwne, że tak ważny wynik został wówczas w dużej mierze zbagatelizowany przez środowisko naukowe. Jednak reputacja Zwicky’ego jako osoby wyjątkowo pomysłowej miała też swoje minusy – chociaż jego koncepcje zazwyczaj zauważano, nie zawsze rozwijano je dalej. Prawdopodobnie zakładano, że efekt był znacznie mniejszy, niż wyliczył Zwicky. Należy pamiętać, że wymagało to oszacowania ilości materii w odległym skupisku składającym się z co najmniej tysiąca galaktyk, z których każda zawierała ogromną liczbę gwiazd. W obliczeniach dokonywano więc z konieczności wielu przybliżeń (w języku naukowym odpowiadającym uzasadnionym przypuszczeniom).

Warto też zauważyć, że koncepcja ciemnej materii Zwicky’ego nie brzmiała wtedy tak fascynująco jak dziś. Każdą ciemną materię traktowano po prostu jak zwyczajną materię, która nie emituje światła. Zakładano, że składała się z pyłu, słabo świecących gwiazd, planet i innych obiektów, które zostały pominięte w analizach opartych na obserwacjach materii emitującej światło. Nie była to nawet nowa koncepcja – szkocki fizyk William Thomson, znany również jako Lord Kelvin, w 1904 roku dokonał zbliżonych, choć mniej spektakularnych obserwacji dotyczących rotacji Drogi Mlecznej[†], dowodząc, że znaczna część materii w galaktyce jest ciemna. Do podobnych wniosków doszli inni astronomowie w tym okresie, szczególnie holenderski astronom Jan Oort w 1932 roku.

Później jednak okazało się, że zwykła materia, która nie emituje światła – nawet z uwzględnieniem egzotycznej koncepcji czarnych dziur – nie mogłaby zapewnić wystarczającej masy, aby wyjaśnić to dziwne zachowanie. Musiało się tam znajdować coś nowego i odmiennego od wszystkiego, co dotychczas znano. I było tego znacznie więcej niż zwyczajnej materii. Tak narodziła się koncepcja ciemnej materii.

Dylemat ekspansji

W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku przez niewielki światek astrofizyków i kosmologów przetoczył się kolejny wstrząs, stanowiący kulminację przełomu dokonanego w 1929 roku. Wtedy to amerykański astronom Edwin Hubble opublikował dane dotyczące przesunięcia ku czerwieni światła galaktyk. Do tematu przesunięcia ku czerwieni wrócimy później, ale w skrócie jest to metoda pozwalająca określić prędkość obiektu emitującego światło. Dane Hubble’a pokazały, że z kilkoma lokalnymi wyjątkami wszystkie galaktyki oddalają się od Drogi Mlecznej. A im dalej znajdowała się galaktyka, tym większe było jej przesunięcie ku czerwieni – a zatem poruszała się szybciej. Po naniesieniu tych danych na wykres zależność ta przyjmowała w przybliżeniu kształt linii prostej. Obserwację tę nazwano później „prawem Hubble’a”, mimo że sam Hubble nie poświęcił zbyt wiele czasu na interpretację swoich danych, ograniczając się do ich zebrania i prezentacji.

Dane te posłużyły do uzasadnienia koncepcji rozszerzającego się wszechświata – obrazu, który dziś uznajemy za coś oczywistego. Jednak jedna kwestia pozostawała nieznana: jak szybko ta ekspansja spowalnia. Wydawało się nieuniknione, że tempo ekspansji powinno ulegać zmniejszeniu ze względu na wpływ grawitacji. Zgodnie z ogólną teorią względności należało oczekiwać wyhamowania ekspansji przez grawitacyjne oddziaływanie całej materii we wszechświecie. Wydawało się, że stopniowe zatrzymanie rozszerzania się przestrzeni jest nieuchronne.

Istniały dwie możliwe konsekwencje tego hamującego efektu. Gdyby ekspansja przestrzeni nie była wystarczająco szybka, grawitacji ostatecznie udałoby się ją przezwyciężyć, a przestrzeń zaczęłaby się kurczyć, prowadząc do potężnego karambolu, nazwanego Wielkim Kolapsem (czyli przeciwieństwem Wielkiego Wybuchu). Jeśli jednak proces rozszerzania zachodziłby zbyt szybko, aby grawitacja mogła go całkowicie powstrzymać, tempo oddalania się galaktyk od siebie spadałoby, ale nigdy nie odwróciłoby się, prowadząc do istnienia wszechświata, który ulegałby coraz większemu rozrzedzeniu.

Do lat dziewięćdziesiątych nie dysponowano dobrymi metodami określania dystansu do bardzo odległych galaktyk, aby można było porównać je z danymi o przesunięciu ku czerwieni i prędkości ich ruchu. Jednak w tamtym czasie nowe techniki, oparte na zrozumieniu zachowania pewnego typu supernowych, umożliwiły połączenie informacji o odległości z przesunięciem ku czerwieni, co pozwoliło uzyskać lepszy obraz tempa spowalniania ekspansji wszechświata. W 1997 roku dwa zespoły badawcze uczestniczyły w rywalizacji mającej na celu zebranie wystarczającej ilości danych, aby precyzyjnie określić te zależności.

Obie grupy opublikowały swoje wnioski niemal w tym samym czasie, a uzyskany przez nie wynik był ogromnym zaskoczeniem. Wszystkie dowody wskazywały na to, że tempo ekspansji wszechświata nie spada z czasem, lecz rośnie. Coś nieznanego dostarczało energii, która napędzała rozszerzanie się przestrzeni, przyspieszając tempo, w jakim galaktyki oddalają się od siebie. Ponieważ nikt nie wiedział, jaka przyczyna mogła to powodować, astrofizycy, przejmując termin od amerykańskiego kosmologa Michaela Turnera, nazwali to zjawisko ciemną energią. Nazwa ta nie mówi nic o naturze tej obserwacji – równie dobrze mogłaby brzmieć „czynnik X” lub „kosmosiła”.

W miarę napływu kolejnych danych możliwe stało się oszacowanie, ile energii potrzeba, aby wywołać to przyspieszenie. Lokalnie efekt ten jest znikomy – potrzeba mniej niż jednego dżula energii[‡] na każdy metr sześcienny przestrzeni, aby spowodować zmierzone zwiększenie tempa ekspansji. Jednak zsumowanie jej w całym wszechświecie daje równowartość ogromnej ilości energii. Dzięki słynnemu równaniu Einsteina E = mc^2 (patrz strona 34) możemy utożsamić energię z masą materii. Jeśli przeliczymy oszacowaną ilość ciemnej energii na masę, okazuje się, że jej masa/energia jest około czternastokrotnie większa niż całej widzialnej materii we wszechświecie, czyli stanowi mniej więcej dwukrotność zwykłej i ciemnej materii razem wziętych.

Ciemność dominuje

Jeśli teorie dotyczące ciemnej materii i ciemnej energii są poprawne, to mniej więcej 27 procent wszechświata tworzy ciemna materia, 68 procent ciemna energia, a zaledwie około 5 procent to wszystko, co bezpośrednio obserwujemy. Mamy więc do czynienia z dość poważnym problemem. Jednak natura tych zjawisk wciąż stanowi przedmiot dyskusji. Ciemna materia może w ogóle nie istnieć. Ilość ciemnej energii różni się w zależności od metody pomiaru i stoi w całkowitej sprzeczności z naszą najdokładniejszą obecnie teorią fizyczną – czyli mechaniką kwantową. Można by rzec, że to najbardziej fascynujący aspekt współczesnej nauki.

Zanim zrozumiemy naukowe podstawy badań nad ciemną materią i ciemną energią, musimy uzupełnić podstawowe informacje o wszechświecie: z czego się składa i jak działa. A czy można sobie wyobrazić lepsze miejsce na rozpoczęcie tych poszukiwań niż jedna z najstarszych dziedzin nauki – nasze dążenie do pełniejszego poznania wszechświata bez opuszczania Ziemi?

[*] Aby wyobrazić sobie skalę roku świetlnego, weźmy pod uwagę, że aby pokonać tę odległość, trzeba byłoby okrążyć Ziemię około 236 500 000 razy.

[**] Te cztery siły to: grawitacja, elektromagnetyzm oraz silne i słabe oddziaływania jądrowe. Dwie ostatnie odpowiadają kolejno za utrzymywanie cząstek razem w jądrze atomowym i za transmutację cząstek.

[***] Neutrony to cząstki obojętne elektrycznie znajdujące się w jądrach atomów.

[†] Nawet pojęcia „ciemna materia” użył już wcześniej francuski matematyk Henri Poincaré, który odniósł je do obliczeń Lorda Kelvina. Poincaré nazwał brakującą materię Kelvina matière obscure.

[‡] Mniej niż ilość energii potrzebna do zasilenia typowej żarówki LED o niskim poborze mocy przez 1/5 sekundy.

2
BADANIE WSZECHŚWIATA

Zapomnijmy o statku kosmicznym

Jestem wielkim zwolennikiem eksploracji kosmosu – uważam, że jest to coś, do czego jako ludzie musimy dążyć, zarówno po to, aby zaspokoić naszego ducha odkrywczości, jak i po to, żeby zapewnić sobie drogę ucieczki, gdyby Ziemia kiedykolwiek przestała być gościnna dla życia. Jednak tradycyjne badanie nigdy nie będzie praktycznym podejściem do zrozumienia wszechświata, w którym przyszło nam żyć. Ta książka rozpoczyna się zdaniem dotyczącym rozmiarów wszechświata – tyle że tę skalę trudno pojąć. Zastanówmy się przez chwilę nad planem podróży do najbliższej gwiazdy poza Słońcem, zwanej Proxima Centauri.

Gwiazda ta znajduje się w odległości około czterech lat świetlnych. To niewielki dystans w porównaniu do średnicy Drogi Mlecznej, wynoszącej 150 tysięcy lat świetlnych. Jednak z ludzkiej perspektywy to wciąż niewyobrażalnie daleko. Dotychczas najszybciej względem Ziemi człowiek podróżował podczas misji Apollo 10 z prędkością 39 896 kilometrów na godzinę. Wydaje się szybko, ale to jedynie 0,000037 prędkości światła. W tym tempie podróż do Proxima Centauri zajęłaby ponad 100 tysięcy lat.