Brakująca masa (ciemna materia)

Pojęcie brakującej masy (ang. missing mass) w astronomii dotyczy zagadki dotyczącej ilości materii w Wszechświecie. Choć astronomowie mogą obserwować masywne obiekty i zjawiska, ich pomiary wskazują, że to, co widzimy, stanowi tylko niewielką część rzeczywistej masy przestrzeni kosmicznej.

Ta niewidoczna masa, nieobjawiająca się w obserwacjach światła, nazywana jest również ciemną materią. Przyjrzyjmy się zatem, czym jest brakująca masa, jakie są dowody na jej istnienie oraz dlaczego jest ona tak istotna dla zrozumienia struktury Wszechświata.

Czym jest brakująca masa?

Ciemna materia nie jest widoczna w tradycyjnych obserwacjach astronomicznych, takich jak teleskopy optyczne, ponieważ nie emituje, nie absorbuje ani nie odbija światła. Obecnie naukowcy uważają, że ta masa składa się głównie z ciemnej materii. Ciemna materia nie oddziałuje elektromagnetycznie, co oznacza, że jest niewidoczna, ale jej obecność można wywnioskować na podstawie wpływu grawitacyjnego na widzialną materię.

Szacuje się, że ciemna materia stanowi około 85% masy całego Wszechświata, podczas gdy zwykła materia (czyli ta, z której składają się gwiazdy, planety, organizmy żywe) to zaledwie 15%. To oznacza, że większość Wszechświata jest dla nas „niewidoczna”.

Historia pojęcia ciemnej materii

Pojęcie brakującej masy pojawiło się w latach 30. XX wieku, kiedy szwajcarski astronom Fritz Zwicky przeprowadzał badania nad gromadami galaktyk. Zwicky badał ruchy galaktyk w gromadzie Coma i odkrył, że prędkości tych galaktyk są znacznie większe, niż można by oczekiwać na podstawie widzialnej masy gromady. Obliczył, że aby galaktyki nie zostały wyrzucone z gromady, musiałaby ona zawierać znacznie więcej masy, niż wynikało to z obserwacji jasnych obiektów. Ta „brakująca masa” stała się zagadnieniem, które po dziś dzień nurtuje astronomów.

Polecamy również …

• Galaktyka B2 0402+379 ukrywa supermasywny układ podwójny czarnych dziur! Naukowcy oszacowali jego masę
• Galaktyka spiralna M99 i jej podobieństwa do Drogi Mlecznej
• Ciemna materia – co o niej wiemy?

Dowody na istnienie brakującej masy

1. Ruchy galaktyk w gromadach

Podobnie jak Zwicky, astronomowie badający gromady galaktyk odnotowali, że galaktyki poruszają się znacznie szybciej, niż wynikałoby to z widzialnej masy. Gdyby cała masa gromad galaktyk była widoczna, galaktyki te musiałyby się poruszać wolniej lub ulec rozerwaniu. Fakt, że tego nie obserwujemy, sugeruje, że w tego typu gromadach znajduje się dodatkowa, niewidoczna masa, która utrzymuje systemy w równowadze.

2. Krzywe rotacyjne galaktyk

Jednym z najważniejszych dowodów na istnienie brakującej masy są tzw. krzywe rotacyjne galaktyk. Galaktyki spiralne obracają się, a prędkość obrotu gwiazd powinna maleć wraz z odległością od centrum galaktyki, jeśli cała masa galaktyki znajduje się w jej jądrze. Jednak obserwacje pokazują, że prędkość rotacji pozostaje niemal stała, nawet na obrzeżach galaktyk. To sugeruje, że masa galaktyki rozciąga się na obszary znacznie poza jej widzialną część, co wskazuje na istnienie dużej ilości niewidzialnej materii – ciemnej materii.

3. Soczewkowanie grawitacyjne

Efekt soczewkowania grawitacyjnego, przewidziany przez ogólną teorię względności Einsteina, dostarcza kolejnego dowodu na istnienie brakującej masy. Grawitacja masywnych obiektów, takich jak galaktyki, zakrzywia światło pochodzące z jeszcze bardziej odległych źródeł. Na podstawie stopnia zakrzywienia światła można oszacować masę soczewkującego obiektu. W wielu przypadkach, np. w badaniach gromad galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne wskazuje, że masa tych gromad jest znacznie większa niż masa widzialnych obiektów.

Przykłady zjawisk związanych z brakującą masą

1. Gromada Coma

Gromada Coma, badana przez Zwicky’ego, jest jednym z klasycznych przykładów systemów, gdzie widzialna masa nie wystarcza, by wyjaśnić prędkości galaktyk. Obserwacje z lat 30. stały się punktem wyjścia do dalszych badań nad ciemną materią.

2. Galaktyka NGC 3198

Ta spiralna galaktyka jest często używana jako przykład przy analizie krzywych rotacyjnych. Obserwacje jej prędkości obrotowej wskazują na istnienie ogromnych ilości ciemnej materii, która utrzymuje zewnętrzne obszary galaktyki w szybszym ruchu, niż wynikałoby to z samej widzialnej materii.

3. Bullet Cluster

Bullet Cluster (Gromada 1E0657-558, w gwiazdozbiorze Kila) to jeden z najsłynniejszych dowodów na istnienie ciemnej materii. W wyniku kolizji dwóch gromad galaktyk doszło do oddzielenia gazu widzialnego od ciemnej materii, co umożliwiło obserwacje, gdzie grawitacyjny wpływ ciemnej materii jest wyraźnie odrębny od materii barionowej (widzialnej).

Polecamy również …

• Radiogalaktyka eliptyczna Alkyoneus o długości ponad 16 mln lat świetlnych. Co o niej wiemy?
• Galaktyka NGC 2336 z ogromną ilością jasnych gwiazd
• Kolejne 10 pulsarów znalezionych w gromadzie kulistej Terzan 5

Znaczenie brakującej masy dla kosmologii

Brakująca masa jest jednym z najważniejszych elementów współczesnej kosmologii. Bez jej obecności nie można by wyjaśnić kształtu i struktury Wszechświata, a także formowania się galaktyk i gromad galaktyk. Teoria ciemnej materii jest niezbędna do zrozumienia ewolucji kosmosu, a także mechanizmów działających na wielką skalę.

Pomimo intensywnych badań, ciemna materia pozostaje jednym z największych nierozwiązanych problemów współczesnej fizyki. Dotychczasowe próby bezpośredniego wykrycia cząsteczek brakującej masy nie przyniosły rezultatów, ale naukowcy nadal poszukują odpowiedzi na to, czym dokładnie jest ta niewidoczna substancja.