Pentru a putea intelege cum au ajuns oamenii de stiinta la concluzia ca materia intunecata reprezinta cea mai mare parte din materia dintr-o galaxie, trebuie sa aflam mai intai cum s-au facut anumite calcule. Soarele se afla in interiorul discului galaxiei noastre. In regiunea din apropierea noastra, stelele sunt imprastiate in toate directiile. Putem estima numarul total de stele din discul galaxiei din marimea totala a acestuia (cateva mii de ani lumina grosime si aproximativ 100 000 de ani lumina in diametru) si presupunerea ca stelele sunt imprastiate in mod similar in intreaga zona. Rezultatul este de cateva zeci de miliarde de stele.
Un calcul similar poate fi realizat pentru nucleul galaxiei. Nucleul nu este la fel de mare ca discul, dar stelele sunt grupate mai dens in interiorul sau, prin urmare, rezultatul va fi asemanator: cateva zeci de miliarde de stele. Este mult mai dificil sa estimam numarul de stele din interiorul nimbului, intrucat majoritatea sunt prea slab iluminate pentru ca noi sa le putem vedea, insa, studiile asupra nimburilor altor galaxii sugereaza ca distanta dintre stele este de zeci de ani lumina, de unde rezulta ca si in zona nimbului numarul de stele este aproximativ acelasi (cateva zeci de miliarde de stele). Cu alte cuvinte, galaxia noastra si alte galaxii la fel de mari, cum ar fi Andromeda, trebuie sa contina multe zeci de miliarde de stele.
Estimarea masei galaxiilor
Pentru a estima masa galaxiilor, examinam stelele care se afla aproape de noi, pentru a vedea cat de masive sunt acestea. Unele sunt mult mai grele decat soarele, iar altele au aproximativ aceeasi masa ca si soarele, insa marea majoritate a stelelor au jumatate din masa soarelui sau mai putin. Drept rezultat, masa totala a tuturor stelelor din galaxie, in comparatia cu masa soarelui, ar trebui sa fie putin mai mica decat numarul lor total, sau de multe zeci de miliarde de mase solare.
Exista totusi o alta modalitate pentru a masura masa galaxiilor, si anume prin observarea miscarii stelelor. Stelele din vecinatatea noastra orbiteaza centrul galaxiei in orbite aproape circulare. Daca am stii cat de mari sunt acele orbite (aproximativ 25 000 de ani lumina) si cat de repede se misca in jurul centrului (321 de kilometri pe secunda), am putea calcula perioada orbitala (aproximativ 200 de milioane de ani), si am putea folosi cea de-a treia lege a lui Kepler pentru a obtine o masa aproximativa a materialului care se afla intre noi si centrul galaxiei. Facand aceste calcule ajungem la un rezultat de aproximativ 200 de miliarde de mase solare, care este de aproape 10 ori mai mare decat valoarea la care am ajunge in functie de numarul de stele.
Acest rezultat surprinzator este insotit de numarul de stele si calculele de viteza din alte galaxii, iar in clusterele de galaxii, vitezele galaxiilor deasemenea implica faptul ca masele lor sunt de zece ori mai mari decat s-ar estima din numarul de stele. Faptul ca in galaxia noastra, in celelalte galaxii studiate si in clusterele de galaxii observate pana acum, masa estimata din numarul de stele este de numai 1/10 din masa estimata din vitezele stelare, fie inseamna ca toate aceste obiecte sunt instabile, fie ca exista mari cantitati de materie care nu sunt luate in considerare. Dar, cu exceptia cazului in care calcularea numarului de stele este gresita, acea masa nu poate fi sub forma de stele, sau cel putin nu sub forma unor stele pe care le putem vedea.
Pitice albe, stele neutronice sau gauri negre?
Faptul ca mase uriase par sa fie ascunse undeva in interiorul galaxiilor, a condus la conceptul de materie intunecata. Desi existenta materiei intunecate a fost banuita de aproape 70 de ani, natura sa reala a ramas un mister, nefiind cunoscuta nici astazi, insa putem face o serie de presupuneri legate de ce ar putea fi. O posibilitate este ca materia intunecata este reprezentata de un fel de stele moarte, cum ar fi piticele albe, stelele neutronice si gaurile negre. Se stie ca piticele albe exista, insa ele sunt foarte slab iluminate, deoarece au aceeasi marime ca Pamantul. De asemenea, estimarea numarului de pitice albe din vecinatatea noastra ar putea fi gresita cu un factor de 2 sau mai mult, iar in regiunile mai indepartate (de exemplu, nimbul si nucleul galaxiei), orice estimare a numarului de pitice albe ar fi o presupunere grosolana.
Stelele neutronice au doar cativa kilometri in diametru si, prin urmare, acestea sunt mult mai mici decat Pamantul. Din acest motiv, s-a crezut ca acestea ar trebui sa fie complet neobservabile, chiar daca s-ar afla foarte aproape de noi. Cat despre gaurile negre, acestea sunt, prin definitie, complet neobservabile, intrucat nimic nu le scapa, nici macar lumina. Exista cazuri rare in care putem dovedi existenta unor stele neutronice sau gauri negre – cum ar fi in sistemele de stele binare care implica transferul de masa de la o alta stea. Insa, marea majoritate a stelelor neutronice si a gaurilor negre nu sunt observabile, prin urmare, daca ar exista un numar mare de asemenea obiecte imprastiate prin galaxie, acestea ar putea reprezenta o cantitate semnificativa de masa.
Acum ca stim ca stelele neutronice si gaurile negre exista, si ca am putea subestima numarul de pitice albe destul de mult, ar putea parea rezonabil sa spunem ca materia intunecata este pur si simplu un numar foarte mare de stele moarte, care se intampla sa fie neobservabile fiindca sunt prea slab iluminate. Problema cu aceasta presupunere este ca, daca este adevarata, ar dura foarte mult timp sa dovedim acest lucru. De fapt, daca un om de stiinta ar fi crezut ca aceasta explicatie este cea corecta inca de-acum 40 de ani, acesta ar ajunge astazi la concluzia ca materia intunecata nu a fost un subiect bun pe care sa incerce sa-l studieze, intrucat si-a dat seama ca si-a petrecut intreaga viata cautand-o si nefiind in stare s-o gaseasca.
Misterul materiei intunecate
Chiar si acum, cu instrumente mult mai bune si tehnici de observare mai avansate, nu este deloc o certitudine ca vom putea dovedi ca materia intunecata este compusa din stele moarte. Drept rezultat, in ultimii 40 de ani, eforturile cautarii materiei intunecate s-au concentrat in special pe idei complet diferite, idei care, indiferent ca erau corecte sau nu, cel putin aveau sansa de a fi dovedite ca fiind corecte sau nu, intr-un termen rezonabil.
Dupa ce ai citit tot ce se poate despre materia intunecata in galaxii si univers, trebuie sa tii cont de anumite lucruri. Indiferent de natura materiei intunecate din galaxii, indiferent din ce este facuta sau de ce este atat de dificil de observat, noi stim ca aceasta exista – doar ca nu stim exact ce este. Ar putea fi o forma ciudata de materie obisnuita, cum ar fi stelele moarte care sunt dificil sau chiar imposibil de observat, sau un fel de materie stranie, care nu se aseamana cu nimic din ceea ce am observat vreodata pana acum. Insa, indiferent de care este raspunsul la aceasta intrebare, masele galaxiilor sunt de cel putin 10 ori mai mari decat masele stelelor lor vizibile, prin urmare, exista ceva acolo, ceva despre care nu stim nimic, ceva despre care am dori sa stim mai multe.
Pe de alta parte, daca vei cauta mai multe informatii, vei descoperi ca materia intunecata nu poate fi reprezentata de stele moarte sau orice alt fel de materie normala, indiferent de forma in care aceasta s-ar afla. Materia intunecata trebuie sa fie compusa dintr-un fel de materie stranie, ceva care este total diferit de tot ce s-a studiat pana acum. Cu toate acestea, acest tip de materie intunecata s-ar putea sa nu existe. De fapt, daca este reala, nu exista nicio indoiala a faptului ca aceasta este mult mai rara decat s-a crezut initial. La un moment dat, s-a crezut ca 90-99 % din intregul material din univers consta in aceasta materie intunecata stranie, insa acum stim ca daca aceasta exista, ea nu reprezinta decat 20-30 % din masa universului. Si, desigur, din moment ce nu exista observatii care sa spuna ce este sau daca exista, poate ca ea este reala doar in imaginatia noastra. Tot ceea ce stim cu siguranta este ca exista ceva care insumeaza 90 % din masa unei galaxii, ceva despre care nu stim aproape nimic.
