Cele mai mari 11 întrebări despre materia întunecată rămase încă fără răspuns

În anii 1930, un astronom elveţian pe nume Fritz Zwicky a observat că galaxiile dintr-un roi îndepărtat orbitau una în jurul celeilalte mult mai repede decât ar fi trebuit, având în vedere cantitatea de masă vizibilă pe care o aveau, informeaza publicaţia Livescience. El a emis teoria potrivit căreia o substanţă nevăzută, pe care a numit-o materie întunecată, ar putea exercita o atracţie gravitaţională asupra acestor galaxii.

De atunci, cercetătorii au confirmat că această materie misterioasă poate fi găsită în tot cosmosul şi că este de şase ori mai abundentă decât materia normală care alcătuieşte lucrurile obişnuite, cum ar fi stelele şi oamenii. Cu toate acestea, în ciuda faptului că au observat materie întunecată în tot universul, oamenii de ştiinţă încă se mai gândesc la ea. Iată cele mai mari 11 întrebări rămase încă fără răspuns referitoare la materia întunecată.

1. Ce este materia întunecată?

În primul rând, şi poate cel mai surprinzător lucru este faptul că cercetătorii nu sunt încă siguri ce anume este materia întunecată. Iniţial, unii oameni de ştiinţă au presupus că masa lipsă din univers era formată din stele mici şi slabe şi găuri negre, deşi observaţiile detaliate nu au scos la iveală suficient de multe astfel de obiecte pentru a explica influenţa materiei întunecate, după cum a scris anterior pentru Live Science fizicianul Don Lincoln de la Fermilab din cadrul Departamentului de Energie al SUA. Principalul concurent actual pentru mantaua materiei întunecate este o particulă ipotetică numită particulă masivă cu interacţiune slabă, sau WIMP, care s-ar comporta ca un fel de neutron, cu excepţia faptului că ar fi între 10 şi 100 de ori mai grea decât un proton, după cum a scris Lincoln. Cu toate acestea, această presupunere nu a dus decât la mai multe întrebări. Iată câteva dintre ele:

2. Putem detecta materia întunecată?

Dacă materia întunecată este formată din WIMP-uri, acestea ar trebui să fie peste tot în jurul nostru, invizibile şi abia detectabile. Atunci de ce nu am găsit încă niciuna? Deşi nu ar interacţiona foarte mult cu materia obişnuită, există întotdeauna o mică şansă ca o particulă de materie întunecată să lovească o particulă normală, cum ar fi un proton sau un electron, în timp ce călătoreşte prin spaţiu. Prin urmare, cercetătorii au construit experiment după experiment pentru a studia un număr uriaş de particule obişnuite în adâncurile subterane, unde sunt protejate de radiaţiile care ar putea imita o coliziune între particule de materie neagră şi particule obişnuite. Care este problema? După zeci de ani de căutări, niciunul dintre aceste detectoare nu a făcut o descoperire credibilă.

3. Materia întunecată este formată din mai multe particule?

Materia obişnuită este alcătuită din particule obişnuite, cum ar fi protonii şi electronii, precum şi dintr-o întreagă 'grădină zoologică' de particule mai exotice, cum ar fi neutrinii, muonii şi pionii. Astfel, unii cercetători s-au întrebat dacă materia întunecată, care reprezintă 85% din materia din univers, ar putea fi la fel de complicată.

"Nu există niciun motiv întemeiat pentru a presupune că toată materia întunecată din univers este construită dintr-un singur tip de particulă", a declarat fizicianul Andrey Katz de la Universitatea Harvard pentru Space.com.

Protonii întunecaţi ar putea să se combine cu electronii întunecaţi pentru a forma atomi întunecaţi, producând configuraţii la fel de diverse şi interesante ca şi cele întâlnite în lumea vizibilă, a spus Katz. Deşi astfel de propuneri au fost imaginate din ce în ce mai des în laboratoarele de fizică, găsirea unei modalităţi de a le confirma sau infirma a scăpat până acum oamenilor de ştiinţă.

4. Există forţe întunecate?

Împreună cu particule suplimentare de materie întunecată, există posibilitatea ca materia întunecată să experimenteze forţe analoge cu cele resimţite de materia obişnuită. Unii cercetători au căutat "fotoni întunecaţi", care ar fi ca fotonii schimbaţi între particulele normale care dau naştere forţei electromagnetice, cu excepţia faptului că aceştia ar fi resimţiţi doar de particulele de materie întunecată. Fizicienii din Italia se pregătesc să spargă un fascicul de electroni şi antiparticulele lor, cunoscute sub numele de pozitroni, într-un diamant. Dacă fotonii întunecaţi există, perechile electron-pozitron ar putea să se anihileze şi să producă una dintre particulele ciudate purtătoare de forţă, deschizând potenţial un sector nou-nouţ al universului.

5. Ar putea materia întunecată să fie formată din axioni?

Pe măsură ce fizicienii se dezic din ce în ce mai mult de WIMP-uri, alte particule de materie întunecată încep să câştige favoruri. Unul dintre principalii înlocuitori este o particulă ipotetică cunoscută sub numele de axion, care ar fi extrem de uşoară, poate chiar cu 10 la puterea 31, mai puţin masivă decât un proton. Axionii sunt acum căutaţi în câteva experimente. Simulări recente pe calculator au ridicat posibilitatea ca aceşti axioni să formeze obiecte asemănătoare unor stele, care ar putea produce radiaţii detectabile, care ar fi destul de asemănătoare cu fenomenele misterioase cunoscute sub numele de explozii radio rapide, după cum a raportat anterior Live Science.

6. Care sunt proprietăţile materiei negre?

Astronomii au descoperit materia întunecată prin interacţiunile gravitaţionale cu materia obişnuită, sugerând că aceasta este principala modalitate prin care îşi face cunoscută prezenţa în univers. Dar atunci când încearcă să înţeleagă adevărata natură a materiei întunecate, cercetătorii au foarte puţine date de la care să pornească. Potrivit unor teorii, particulele de materie întunecată ar trebui să fie propriile lor antiparticule, ceea ce înseamnă că două particule de materie întunecată s-ar anihila una pe cealaltă atunci când se întâlnesc. Experimentul Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) de pe Staţia Spaţială Internaţională caută semnele revelatoare ale acestei anihilări încă din 2011 şi a detectat deja sute de mii de evenimente. Oamenii de ştiinţă încă nu sunt siguri dacă acestea provin de la materia întunecată, iar semnalul nu i-a ajutat încă să stabilească exact ce este materia întunecată.

7. Există materie întunecată în fiecare galaxie?

Deoarece depăşeşte masiv materia obişnuită, se spune adesea că materia întunecată este forţa de control care organizează structurile mari, cum ar fi galaxiile şi roiurile galactice. Prin urmare, a fost ciudat când, la începutul acestui an, astronomii au anunţat că au descoperit o galaxie numită NGC 1052-DF2 care părea să nu conţină aproape deloc materie întunecată.

"Materia întunecată nu este, aparent, o cerinţă pentru formarea unei galaxii", a declarat atunci Pieter van Dokkum de la Universitatea Yale pentru Space.com.

Cu toate acestea, în timpul verii, o altă echipă a publicat o analiză care sugerează că echipa lui van Dokkum ar fi măsurat greşit distanţa până la galaxie, ceea ce înseamnă că materia sa vizibilă era mult mai slabă şi mai uşoară decât cum se constatase la început şi că o mai mare part din masa sa, decât se sugera anterior, era formată din materie întunecată.

8. Ce se întâmplă cu rezultatele DAMA/LIBRA?

Un mister de lungă durată în fizica particulelor îl constituie rezultatele unui experiment european cunoscut sub numele de DAMA/LIBRA. Acest detector - amplasat într-o mină subterană sub muntele Gran Sasso din Italia - a căutat o oscilaţie periodică în particulele de materie întunecată. Această oscilaţie ar trebui să apară pe măsură ce Pământul se deplasează pe orbita sa în jurul Soarelui, în timp ce zboară prin curentul galactic de materie întunecată care înconjoară sistemul nostru solar, numit uneori vânt de materie întunecată. Din 1997, DAMA/LIBRA susţine că a observat exact acest semnal, deşi niciun alt experiment nu a observat aşa ceva.

9. Ar putea materia întunecată să aibă o sarcină electrică?

Un semnal de la începutul timpului i-a determinat pe unii fizicieni să sugereze că materia întunecată ar putea avea o sarcină electrică. Radiaţia cu o lungime de undă de 21 de centimetri a fost emisă de stele în perioada de început a universului, la doar 180 de milioane de ani după Big Bang. Ea a fost apoi absorbită de hidrogenul rece care exista în aceeaşi perioadă.

Când această radiaţie a fost detectată, semnătura sa a sugerat că hidrogenul era mult mai rece decât au prezis oamenii de ştiinţă. Astrofizicianul Julian Munoz de la Universitatea Harvard a emis ipoteza că materia întunecată cu o sarcină electrică ar fi putut atrage căldura din hidrogenul omniprezent, un fel de cuburi de gheaţă care plutesc în limonadă, după cum a declarat la vremea respectivă pentru Live Science. Dar teoria nu a fost încă confirmată.

10. Pot particulele obişnuite să se dezintegreze în materie întunecată?

Neutronii sunt particule de materie obişnuită cu o durată de viaţă limitată. După aproximativ 14,5 minute, un neutron singuratic dezlegat de un atom se va dezintegra într-un proton, un electron şi un neutrino. Însă două configuraţii experimentale diferite oferă timpi de viaţă uşor diferiţi pentru această dezintegrare, discrepanţa dintre ele fiind de aproximativ 9 secunde, după cum arată experimentele menţionate într-un studiu publicat în iulie în revista Physical Review Letters. Fizicienii au sugerat că, dacă 1 la sută din timp, unii neutroni se dezintegrează în particule de materie întunecată, acest lucru ar putea explica această anomalie. Christopher Morris de la Laboratorul Naţional Los Alamos, din New Mexico, şi echipa sa au monitorizat neutronii pentru a căuta un semnal care ar putea fi materie întunecată, dar nu au reuşit să detecteze nimic. Ei au sugerat că alte scenarii de dezintegrare ar putea fi încă posibile, potrivit studiului.

11. Există cu adevărat materie întunecată?

Având în vedere dificultăţile cu care s-au confruntat oamenii de ştiinţă în încercarea de a detecta şi de a explica materia întunecată, un interlocutor rezonabil s-ar putea întreba dacă nu cumva aceştia procedează greşit. Timp de mulţi ani, o minoritate vocală de fizicieni a împins ideea că poate teoriile noastre despre gravitaţie sunt pur şi simplu incorecte şi că forţa fundamentală funcţionează diferit la scară mai mare decât ne aşteptăm.

Cunoscute adesea sub numele de "dinamică newtoniană modificată" sau modele MOND, aceste sugestii presupun că nu există materie întunecată, iar vitezele ultrarapide cu care se vede că stelele şi galaxiile se rotesc unele în jurul altora ar fi o consecinţă a faptului că gravitaţia se comportă în moduri surprinzătoare.

"Materia întunecată este încă un model neconfirmat", a scris fizicianul Don Lincoln într-un articol explicativ pentru Live Science. Cu toate acestea, detractorii nu au reuşit încă să convingă domeniul mai larg în ceea ce priveşte ideile lor.

Cât despre cele mai recente dovezi, acestea sugerează că materia întunecată este reală.