Jak ciemna materia ukształtowała wszechświat? Ta fizyczka ma swoją teorię

Fizyczka Tracy Slatyer wyobraża sobie różne sposoby, w jakie ciemna materia może oddziaływać ze zwykłą materią, pomagając naukowcom nauczyć się, jak jej szukać. Zdjęcie: Bryce Vickmark

W wieku 12 lat pewna książka wzbudziła współczucie Tracy Slatyer. Przeczytała artykuł w gazecie o tym, jak wiele osób kupowało Krótką Historię Czasu Stephena Hawkinga. „Ale potem... nikt tak naprawdę jej nie czytał”, mówi. „Ludzie po prostu stawiali ją na swoich stolikach do kawy”.

Zdeterminowana, by naprawić ten błąd, Slatyer zdobyła egzemplarz i pilnie przeczytała każdą stronę. Popularny tekst słynnego fizyka ujawnił jej, że „matematyka była w pewnym sensie ekspresyjnym językiem opisującym, jak naprawdę rzeczy są, jakie są”, mówi. „To było dla mnie ekscytujące”.

Obecnie Slatyer, fizyczka teoretyczna na MIT, wykorzystuje swoje zdolności matematyczne do snucia nowych pomysłów na temat ciemnej materii. Ta tajemnicza substancja stanowi około 85 procent znanej materii we wszechświecie. Mimo to naukowcy konsekwentnie wymykają się próbom jej określenia. Slatyer próbuje dowiedzieć się, z czego może być zbudowana ciemna materia, w jaki sposób może wchodzić w interakcje z samą sobą lub z czymkolwiek innym oraz, co najważniejsze, jakie mogą być konsekwencje tych interakcji.

Fizycy wiedzą, że ciemna materia istnieje, ponieważ widzą jej grawitacyjny wpływ na galaktyki, ich liczne gromady i ogólną ewolucję wszechświata. Poza tym istnieje niewiele alternatyw, z którymi można pracować. Slatyer pomogła wyobrazić sobie niezliczone sposoby, w jakie ciemna materia mogłaby pozostawić subtelny ślad na strukturze rzeczywistości, który byłby widoczny w obserwacjach.

Wśród naukowców wykonujących taką pracę „nie ma chyba nikogo, kto miałby większy wpływ”, mówi Dan Hooper, fizyk z Uniwersytetu w Chicago. „Jest jeszcze lepsza w tym co robi, niż jestem w stanie wam do przekazać”.
 

Odkrycie Bąbli Fermiego

Urodzona na Wyspach Salomona, Slatyer dorastała w Canberze w Australii. Po przeczytaniu książki Hawkinga wiedziała, że chce w przyszłości studiować fizykę. Podczas studiów magisterskich na Uniwersytecie Harvarda w 2000 roku poznała fizyka Douglasa Finkbeinera, który badał tajemnicze sygnały w centrum Drogi Mlecznej.

Satelita badawczy zauważył dziwne nadwyżki pozytonów, antycząstek elektronu i wysokoenergetycznych fotonów zwanych promieniami gamma, których nie można było wyjaśnić konwencjonalnymi teoriami. Slatyer i Finkbeiner wspólnie zaczęli dokładniej przyglądać się rodzajowi samoniszczącej się ciemnej materii, która mogłaby rozwiązać tę tajemnicę. W ich konkretnym modelu ciemna materia pozostawiałaby po sobie elektrony i pozytony, które oddziaływałyby ze światłem gwiazd, tworząc promienie gamma.

W 2008 roku NASA uruchomiła Kosmiczne obserwatorium promieniowania gamma, który zaoferował bezprecedensowe widoki wysokoenergetycznych fotonów emanujących z płaszczyzny galaktyki. Gdyby ciemna materia rzeczywiście ulegała samozniszczeniu, byłaby widoczna w obserwacjach Fermiego. W następnym roku Slatyer i Finkbeiner wykorzystali publiczne dane Fermiego do polowania na tę materię.

„Przeanalizowaliśmy dane i zobaczyliśmy tę dużą rozmytą poświatę na północ i południe od centrum galaktyki”, wspomina Slatyer. „Więc pomyśleliśmy: Udało się nam!”.

Ale im bardziej oni i inny student Finkbeinera, Meng Su, przyglądali się sygnałom, tym bardziej zdawali sobie sprawę, że to nie była ciemna materia. Obrazy Fermiego ujawniły ogromną figurę klepsydry, która rozciągała się 25 000 lat świetlnych powyżej i poniżej płaszczyzny Drogi Mlecznej. Uważa się, że ciemna materia jest obecna w rozproszonej aureoli wokół naszej galaktyki, ale ta struktura miała bardzo ostre krawędzie.

Wznoszące się struktury zwane bąblami Fermiego rozciągają się na 25 000 lat świetlnych nad i pod płaszczyzną Drogi Mlecznej, jak pokazano na tym artystycznym przedstawieniu. Uważa się, że tajemnicze struktury są powiązane z procesami w centrum galaktyki, choć nikt nie jest pewien ich pochodzenia. Zdjęcie: GSFC/NASA

Wiadomo, że super masywne czarne dziury żywiące się gazem i pyłem w centrach innych galaktyk wyrzucają z siebie materiał w kształcie klepsydry. W końcu Slatyer i jej koledzy zdali sobie sprawę, że to może być coś podobnego. Te Bąble Fermiego, jak zaczęto je nazywać, były przedmiotem licznych badań, co doprowadziło do długotrwałej debaty na temat mechanizmów ich powstawania (SN: 11/9/10; SN: 4/20/23).

Slatyer nie znalazła ciemnej materii, ale jak sama mówi: „Staram się nie narzekać, gdy natura daje mi nowe, ekscytujące rzeczy, niezależnie od tego, czy były one tym, czego szukałam w pierwszej kolejności”.

Ciemna materia we wczesnym wszechświecie

Od tego czasu wiele jej prac koncentrowało się na różnych scenariuszach dotyczących ciemnej materii. Na przykład, niektóre z jej badań dotyczyły tego, w jaki sposób tajemnicza substancja mogła ulec anihilacji lub rozpadowi we wczesnym wszechświecie, pozostawiając po sobie fundamentalne cząstki, które powodowałyby niewielkie zmiany w oczekiwanej temperaturze całego kosmosu. Taki efekt mógłby pojawić się w mikrofalowym promieniowaniu tła (CMB), pozostałym po czasach, gdy wszechświat miał zaledwie 380 000 lat.

Satelity mierzące to światło odkryły, że wskazuje ono, że kosmos miał prawie dokładnie taką samą temperaturę bez względu na kierunek patrzenia, z odchyleniami wynoszącymi tylko jedną część na 100 000. Slatyer i jej koledzy obliczyli, że jeśli doszło do anihilacji ciemnej materii, mogła ona wygenerować jeszcze subtelniejszą sygnaturę temperatury, do jednej części na milion. Jej zespół poinformował w 2023 r., w jaki sposób obecność samoniszczącej się ciemnej materii zniekształciłaby CMB — sygnał dla przyszłych instrumentów.

W badaniu opublikowanym w maju 2024 r. wraz z kolegami przyjrzeli się innym potencjalnym skutkom nadmiernego ciepła we wczesnym Wszechświecie pochodzącego z ciemnej materii. W niektórych scenariuszach wyższa temperatura mogła wygenerować nadwyżkę wolnych elektronów. Te wolne elektrony mogły działać jako katalizatory reakcji chemicznych, które sprzyjałyby powstawaniu gwiazd, prawdopodobnie prowadząc do powstania ogromnej liczby gwiazd na bardzo wczesnych etapach.

Inne zespoły zasugerowały, że nadmiar ciepła spowodowałby łatwiejsze przemieszczanie się gazu i pyłu, co mogłoby ograniczyć powstawanie gwiazd. W takim przypadku większe skupiska materiału mogły, zamiast tego zapaść się w masywne czarne dziury, które mogły stać się nasionami, wokół których koalescencji uległy pierwsze galaktyki.

Takie pomysły mogłyby pomóc wyjaśnić to, co zaobserwował Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, zaglądając w kosmiczną historię. Wygląda na to, że teleskop znalazł niespodziewanie duże czarne dziury i galaktyki na wczesnym etapie istnienia Wszechświata (SN: 3/4/24). Slatyer i jej koledzy sugerują, że winowajcą tych dziwnie masywnych obiektów kosmicznych może być ciemna materia.

Doprowadzając swoje teorie do logicznych wniosków, Slatyer stała się nieoceniona dla społeczności fizyków teoretycznych i obserwacyjnych poszukujących ciemnej materii. „Jest jedną z tych osób, które są w pewnym sensie wszechobecne”, mówi Finkbeiner. „Pojawia się na każdym spotkaniu. Macza palce w każdej sprawie. Jest na każdym panelu, aby dowiedzieć się, co powinna zrobić jej dziedzina przez następne 10 lat”.

Biorąc pod uwagę, jak niewiele naukowcy wiedzą o ciemnej materii, Slatyer uważa, że ważne jest, aby wyobrazić sobie szeroki zakres potencjalnych możliwości, a następnie wymyślić eksperymenty, aby przetestować te opcje. „Staramy się... upewnić, że nie przegapimy niczego przytłaczająco oczywistego”, mówi.