Materia întunecată sau materia neagră, numită uneori şi materie transparentă, este una dintre cele mai mari enigme pentru ştiinţa actuală, un concept avansat de către astrofizicieni, care denumeşte un tip ipotetic de materie şi care ar reprezenta cea mai mare parte din materia existentă în Univers. Mai exact, cercetările făcute în timp au dus la concluzia unanim acceptată astăzi că materia vizibilă din Univers reprezintă aproximativ 4%, în timp ce 96% din ceea ce reprezintă Universul este imposibil de perceput, este materie si energie întunecată. Pentru că materia întunecată nu absoarbe şi nici nu emite lumină sau radiaţii electromagnetice, aceasta nu poate fi observată direct, cu ochiul liber sau cu ajutorul telescoapelor.
Bosonul Higgs sau Particula lui Dumnezeu
De la momentul Big Bang-ului şi până astăzi, Universul s-a extins continuu, apărând milioane de galaxii. Până când va continua acest proces? Se încetineşte sau se accelerează? Când va ajunge la “capăt”? Fenomenul expansiunii Universului are acoperire în modelul spaţiu-timp descris de Albert Einstein, dar între realitatea cosmosului şi modele teoretice sunt o mulţime de necunoscute.
Un pas înainte în înţelegerea şi explicarea fenomenelor cosmice a fost făcut în 2013, când cercetătorii de la CERN (Organizatia Europeană pentru Cercetare Nucleară) au anunţat că au descoperit o particulă subatomică, Bosonul Higgs (numit aşa de la numele celui care a postulat existenţa acestuia, când a formulat teoria particulelor elementare, adică “Modelul standard”, Peter Higgs). Bosonul Higgs a fost supranumit “Particula lui Dumnezeu”, fără nicio conotaţie religioasă, ci pentru a atrage atenţia că, dacă această particulă elementară, bosonul Higgs, nu ar exista, materia nu ar exista, pentru că acesta este cel care dă masa lucrurilor.
Particulele elementare/fundamentale, unităţile de bază ale Universului, sunt fermionii (leptonii, quarcurile) şi bosonii. De exemplu, fotonul face parte din categoria bosonilor. Se presupune că bosonul este rezultatul coliziunii a doi protoni, de energie foarte înaltă, durata de viaţă a unei astfel de particule fiind foarte scurtă, de aici şi dificultatea dovedirii existenţei ei.
Prin urmare, dacă Particula lui Dumnezeu nu ar exista, nu ar da masă obiectelor, Universul perceptibil, aşa cum este cunoscut astăzi, nu ar exista nici el. O a doua concluzie, derivată din aceasta, este că materia întunecată nu este alcătuită din neutroni, protoni sau electroni.
Joseph Lykken, unul dintre fizicienii implicaţi în proiectul CERN, afirma că este foarte posibil ca, la un anumit moment, cu viteza luminii să se producă o altă “explozie”, precum Big Bang-ul, dând naştere unui Univers “alternativ”, care îl va distruge pe cel existent.
Materia întunecată şi expansiunea accelerată a Universului
Aşadar, în urmă cu aproximativ 15 miliarde de ani, la doar o sutime de secundă după Big Bang, au apărut particulele atomice – neutroni, protoni, electroni. La capătul unei secunde s-au format nucleele de deuteriu (izotop stabil al hidrogenului), din asocierea unui proton cu un neutron şi un electron, apoi nucleele de heliu (din doi protoni şi doi neutroni, ulterior creaţia încetinindu-şi ritmul.
În anii 1990 însă, mai multe echipe de cercetători au anunţat că, în urma diverselor măsurători şi analize, este o certitudine faptul că Universul se află în expansiune accelerată şi nu aşa cum se credea anterior că expansiunea cosmosului se va încetini treptat, după care Universul va intra într-un proces de contracţie. O forţă invizibilă pare a genera o altă evoluţie a Universului decât cea anticipată de oamenii de ştiinţă.
Pe de altă parte, observaţiile legate de roiurile de stele, de supernove (explozii stelare cu efecte luminoase mai puternice decât ale unei întregi galaxii şi cu eliberare de energie cât a Soarelui pe toată durata lui de viaţă), tendinţa de scădere a forţei gravitaţionale etc., toate conduc spre materia întunecată şi spre ceea ce Einstein intuise când a introdus în ecuaţiile sale “constanta lambda”/”constantă cosmologică” – energia vidului. Evident, materia întunecată nu trebuie confundată cu energia întunecată, dar ambele noţiuni intră în zona ipotezelor care determină expansiunea accelerată a Universului. Dacă materia vizibilă reprezintă 4,9 % din Univers, se presupune că restul este reprezentat de materia întunecată (aproximativ 26,8 %) şi energia întunecată (68,3 %).
Materia întunecată – câteva ipoteze
Niciun model teoretic, până la momentul actual, nu este suficient de convingător, în absenţa dovezilor, în privinţa a ceea ce înseamnă materia întunecată. Dar, cu toate necunoscutele, faptul că aceasta există este susţinut de cei mai mulţi dintre cercetători, ceea ce înseamnă că Universul este chiar mai surprinzător, mai fascinant decât l-au prezentat astronomii sau ni l-am imaginat fiecare dintre noi. Iată câteva dintre explicaţiile oferite de specialiştii în astrofizică, referitoare la compoziţia materiei întunecate.
- WIMPs, acronimul pentru Weakly-interacting massive particles s-ar putea traduce ca “particule masive care interacţionează slab”, particule ipotetice, care posedă masă şi care interacţionează foarte slab cu materia barionică (obişnuită). În cadrul modelelor cosmologice actuale, conceptul de materie se defineşte în două ipostaze: materia barionică (protoni, neutroni, electroni) şi materia non-barionică (materia întunecată/transparentă), care nu interacţionează cu celelalte componente ale Universului decât prin gravitaţie. Au fost concepute diverse aparate care să surprindă momentul unei interacţiuni dintre o particulă WIMP şi materia obişnuită, dar fără rezultate deocamdată.
- ADMX (Axion Dark Matter Experiment) este un proiect în desfăşurare, al cercetătorilor de la Center for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics (CENPA), al Universităţii din Washinton, centrat pe ideea că axionul este particulă elementară ipotetică a materiei întunecate. Specialiştii speră că vor ajunge să detecteze această particulă foarte uşoară, în opinia lor, care interacţionează foarte slab cu materia barionică, de unde şi dificultatea detectării ei.
- Potrivit altor teorii, materia întunecată ar proveni din găurile negre primordiale. Pentru a se verifica această ipoteză, telescopul Kepler a fost conceput să măsoare variaţia de luminozitate a diverselor stele, deoarece atunci când o ipotetică gaura neagră primordială ar trece prin faţa unei stele, s-ar produce efectul de lentilă gravitaţională, manifestat prin creşterea bruscă a luminozităţii stelei respective. Se monitorizează astfel peste 150 de mii de stele, dar fără rezultate notabile încă.
CERN – materia întunecată, misiune pentru trei Premii Nobel
Specialiştii de la CERN (Organizatia Europeană pentru Cercetare Nucleară) apreciază că tentativa de a dovedi existenţa materiei şi a energiei întunecate este mult mai dificilă decât descoperirea Bosonului Higgs, că este o misiune a fizicii moderne nu pentru unul, ci cat pentru trei Premii Nobel.
Când s-a pornit în căutarea Bosonului Higgs (Particula lui Dumnezeu), mărturiseşte directorul adjunct al instituţiei, se ştia în ce direcţie trebuie îndreptate cercetările, în timp ce despre materia şi energia întunecată se ştie doar că există şi că influenţează major expansiunea Universului.
Un drum al căutării acestei misterioase materii întunecate este, potrivit celor de la CERN, aşa numitul “ foton întunecat masiv A”. Despre fotonii obişnuiţi se ştie că reprezintă particule elementare ale radiaţiei electromagnetice cu masă şi sarcină electrică nule, care nu pot exista în stare de repaus. Conform unor teorii recente, referitoare la materia întunecată, trebuie să existe un alt foton, cu masă, care ar face ca materia vizibilă să comunice cu cea invizibilă, dar o astfel de particulă nu s-a identificat încă, deşi cercetările au demarat, pe această cale, din 2016.
Un satelit chinezesc în căutarea materiei întunecate
Activitatea de cercetare a specialiştilor chinezi în domeniul astrofizicii este din ce în ce mai intensă. Primul satelit chinezesc lansat cu acest scop în 2015 – DAMPE – a dat primele rezultate, în sensul detectării, în primele 18 luni cât s-a aflat pe orbită, a peste 1,5 milioane de electroni şi pozitroni (antielectroni – particulă elementară, nestabilă, care are aceeasi masă ca electronul si cu sarcină electrică pozitivă si egală în valoare absolută cu sarcina electronului), de înaltă energie, la altitudinea de 500 de kilometri, şi o ciudată scădere a numărului de particule dincolo de o anumită valoare a energiei, un fel de “ruptură” a cărei cauză nu a fost descifrată.
Despre sursa radiaţiilor cosmice care bombardează continuu Pământul se ştie că, parţial, acestea provin din exploziile stelelor masive (supernovele), altele de la pulsari (stele extrem de dense care se rotesc foarte rapid în jurul axei lor). Sau, poate, o altă sursă ar putea fi materia întunecată, acesta fiind motivul pentru care satelitul a fost lansat şi programat pentru asemenea măsurători.
Competiţie internaţională în descifrarea misterului materiei întunecate
În 2015, la 100 de kilometri de Roma, Italia, sub lanţul muntos din regiunea Abruzzo, într-un laborator subteran din Gran Sasso, protejat de 1400 de metri de stâncă în înălţime, a fost instalat un aparat care să măsoare particulele de materie întunecată, peste 100 de mii de particule de astfel de materie ipotetică traversând în fiecare secundă o suprafaţă de un centimetru pătrat.
Se consideră că acest aparat –Xenon1T – ar avea cele mai mari şanse de a identifica WIMPs (particule masive care interacţionează slab), deoarece este dotat cu un fel de baie izotermă, care conţine o tonă de xenon lichid şi gazos, cu scopul de a elimina orice fel de bruiaj provenit de la radioactivitatea naturală. Avantajul xenon-ului constă în faptul că este cel mai greu gaz de pe pământ, este inert şi foarte dens, nu interacţionează cu fotodetectoarele, nu are izotop natural. Instrumentul de la Gran Sasso a costat 15 milioane de dolari, altele similare fiind în funcţiune şi în alte 21 de laboratoare din lume, în SUA, Japonia, China, Columbia etc.
Faptul că, la ora actuală, despre aproximativ 96% din Univers nu se ştie aproape nimic, presupunându-se doar că ar fi materie şi energie întunecată, pe lângă celelalte aspecte legate de naşterea Universului, explozia primordială, de evoluţia galaxiilor, a planetelor, de expansiunea cosmosului, care se rescriu în epoca noastră, arată cât de spectaculoasă, misterioasă este Creaţia a tot ceea ce este. Pentru mintea umană, toate acestea reprezintă o provocare uriaşă, în tentativa de a-şi imagina inimaginabilul, şi de a trece, poate, la un alt nivel al cunoaşterii.
