Cand te uiti in sus pe timp de noapte, poti vedea miliarde de stele raspandite pe cer. Atunci cand astronomii se uita in cele mai profunde zone ale universului cu ajutorul unor telescoape puternice, ei vad miliarde de galaxii, organizate in grupuri mari si alte structuri. Acest lucru te-ar putea face sa crezi ca universul este compus in principal din galaxii, stele, gaz si praf – lucruri pe care le poti vedea. Cu toate acestea, majoritatea astronomilor cred ca materia vizibila reprezinta doar o mica fractiune din masa universului. Cea mai mare parte a universului este compusa din lucruri pe care nu le putem vedea – asa numita materie neagra. Ce este de fapt materia neagra? Cum o putem detecta? Care este importanta sa in univers? In acest articol vom examina toate aceste intrebari si vom cauta dovezi ale existentei materiei negre. Deasemenea vom afla cum poate fi detectata si studiata, care este natura sa si cum ajuta la definirea structurii si destinului universului.
Materia neagra nu poate fi vazuta de astronomi cu ajutorul telescoapelor. Aceasta nu emite sau reflecta indeajuns de multa lumina pentru a putea fi detectata, asa ca nu este luminoasa, ca o stea. Atomii, moleculele si particulele subatomice sunt materie neagra. Noi suntem materie neagra. Tot ce exista pe Pamant este materie neagra. Planetele, stelele pitice maro si gaurile negre sunt materie neagra. Practic, materia neagra nu poate fi vazuta – oamenii de stiinta pot doar sa estimeze unde se afla bazandu-se pe efectele gravitationale asupra lucrurilor pe care le pot vedea. Nu putem vedea materia neagra, insa o putem detecta prin efectele sale asupra materiei normale datorate gravitatiei si prin razele X emise de materia neagra fierbinte. Deci, ce este de fapt materia neagra? Din ce este facuta?
Compozitia materiei negre
Sa clarificam ceva – nu cunoastem natura exacta a materiei negre. Putem totusi sa ne uitam la unele posibilitati. In primul rand, materia neagra ar putea fi materie obisnuita, care este compusa din protoni, neutroni si electroni. Aceasta materie obisnuita nu emite sau absoarbe lumina, insa exercita efecte gravitationale. Printre posibilitati se afla urmatoarele:
• Pitice maro: aceste obiecte mari s-au format in acelasi mod ca si stelele, insa nu au acumulat niciodata indeajuns de mult gaz si praf pentru a atinge masa critica necesara pentru pornirea fuziunii de hidrogen. Piticele maro au aproximativ 5% din masa soarelui, adica de obicei sunt mai mari decat o planeta, insa nu la fel de mari ca o stea. Astronomii numesc aceste obiecte si obiectele similare MACHO (Massive Compact Halo Objects). Ele pot fi detectate de lentilele gravitationale. Astronomii cred ca piticele maro nu se gasesc in numar destul de mare pentru a reprezenta materia neagra din galaxie.
• Pitice albe: acestea sunt resturi de nuclee ale stelelor moarte (mici si mijlocii). Desi exista numeroase pitice albe, numarul lor nu este suficient de mare pentru a reprezenta materia neagra (ar trebui sa existe cantitati mari de resturi de heliu de la ele, insa acest lucru nu a fost observat).
• Stele neutronice/gauri negre: acestea sunt ultimele ramasite ale nucleelor stelelor mari dupa exploziile supernovelor. Desi acestea au efecte gravitationale mari si sunt invizibile deoarece pot preveni chiar si scaparea luminii (gaurile negre), ele sunt mult prea rare pentru a reprezenta materia neagra.
In al doilea rand, materia neagra ar putea fi un tip complet nou de materie sau materie extraordinara. Materia extraordinara ar putea fi compusa din particule subatomice care reactioneaza slab cu materia obisnuita (particulele au fost numite WIMPS – Weakly Interacting Massive Particles sau Particule Masive cu Interactiune Slaba).
• Neutrinii: particule subatomice care se deplaseaza cu o viteza apropiata de cea a luminii, insa au o masa mica. Este probabil ca aceste particule sa reprezinte o mica parte din materia neagra, deoarece se misca indeajuns de repede pentru a scapa chiar si de atractia gravitationala a unei galaxii. Deci, este putin probabil ca ele sa reprezinte grosul materiei negre.
• Noi particule subatomice: ar putea exista multe asemenea particule propuse. Multe provin din teoria supersimetriei, care a dublat numarul particulelor din modelul standard. Acestea se misca relativ incet si sunt destul de reci (telescoapele cu raze infrarosii si raze X nu le pot detecta). Fizicienii incearca sa gaseasca dovezi ale acestor particule teoretice pentru a explica materia neagra.
• Neutralino: particule teoretice care sunt similare cu neutrinii, dar sunt mai grele si mai incete. Desi acestea nu au fost inca descoperite, ele sunt candidatele principale in ceea ce priveste explicarea materiei negre.
Detectarea materiei negre
Oamenii de stiinta estimeaza ca materia obisnuita ar putea insuma pana la 20% din materia neagra din univers.
Problema materiei negre a fost adusa in atentia astronomilor cand acestia au inceput sa studieze galaxiile. Daca privim la structura galaxiei noastre asa cum ar parea din exterior, cea mai mare parte din cele 200 de miliarde de stele se afla in discul galatic. Majoritatea stelelor sunt concentrate in apropierea centrului discului, in jurul nucleului si protuberantei galactice. Deasupra si dedesubtul discului se afla cateva clustere globulare imprastiate si o regiune mare, rotunda si slab iluminata, numita nimb. Studiind Calea Lactee, astronomii au vrut sa masoare masele si distributiile maselor in cadrul galaxiei si al roiurilor stelare. Dar nu poti pur si simplu sa cantaresti ceva de marimea unei galaxii – trebuie sa-i afli masa prin alte metode. O metoda este masurarea intensitatii luminii sau a luminozitatii. Luminozitatea este legata de masa unei stele (cu cat exista mai multa lumina, cu atat masa este mai mare). De la aceste masuratori, stim ca exista aproximativ 15 miliarde de luminozitati solare (echivalentul maselor solare) intre orbita soarelui si centrul Caii Lactee.
In teoria sa generala a relativitatii, Albert Einstein a aratat ca obiectele masive pot distorsiona spatiu-timpul cu gravitatia lor. Sa luam de exemplu un supercluster. Acesta distorsioneaza spatiu-timpul din jurul sau. Razele de lumina provenind de la un obiect indepartat aflat in spatele superclusterului trec prin spatiu-timpul distorsionat. In acest moment, razele de lumina se indoaie. Prin urmare, superclusterul actioneaza ca o uriasa lentila gravitationala, la fel ca o lentila optica. Imaginea distorsionata a unui obiect indepartat depinde de forma lentilei si poate fi:
• Sferica: imaginea apare ca un inel de lumina cunoscut sub numele de inelul lui Einstein.
• Alungita sau eliptica: imaginea se imparte in patru imagini si seamana cu o cruce, cunoscuta sub numele de crucea lui Einstein.
• Cluster: imaginea apare ca o serie de arce sub forma de banana.
Prin masurarea unghiului de indoire, astronomii pot calcula masa lentilei gravitationale (cu cat mai mare este unghiul de indoire, cu atat mai masiva este lentila). Utilizand aceasta metoda, astronomii au confirmat ca, aceste clustere galactice au intr-adevar mase mari, asa cum este indicat de curbele de rotatie si de imaginile cu raze X. Masele mari depasesc masele masurate de materia luminoasa si furnizeaza dovezi ale existentei materiei negre.
Materia neagra si soarta Universului
Conform teoriei Big Bang-ului, universul timpuriu a fost supus unei expansiuni enorme si acesta continua sa se extinda si azi. Singura explicatie a acestui tip de structura este ca gravitatia este cea care determina galaxiile sa se grupeze in ziduri sau filamente. Pentru ca gravitatia sa poata grupa aceste galaxii, trebuie sa existe cantitati mari de masa ramase de la Big Bang, in special masa nevazuta (materie neagra). De fapt, simularile pe computer arata ca galaxiile, clusterele galactice si structurile mai mari se pot forma in timp, plecand de la aglomerarile de materie neagra din universul timpuriu. Deci, materia neagra ar putea fi cleiul care mentine aceasta structura a universului. Cercetatorii se intreaba insa daca materia neagra umple intregul univers, pana la peretii galactici.
Pe langa faptul ca ofera structura universului, materia neagra poate juca si un rol in soarta acestuia. Universul se afla in expansiune, insa acesta se va extinde la infinit? Gravitatia va determina in cele din urma soarta expansiunii, iar gravitatia este dependenta de masa universului. Exista trei variante pe care cercetatorii le cred posibile, si anume:
• Univers inchis: in cazul in care densitatea reala a masei este mai mare decat densitatea masei critice, universul se va extinde, va incetini, se va opri si se va prabusi inapoi in sine in cadrul unui eveniment numit Big Crunch.
• Univers critic sau plat: in cazul in care densitatea reala a masei este egala cu densitatea masei critice, universul se va extinde la infinit, insa rata extinderii va incetini din ce in ce mai mult pe masura ce trece timpul. Tot ce exista in univers se va raci in cele din urma.
• Univers deschis: in cazul in care densitatea reala a masei este mai mica decat densitatea masei critice, universul va continua sa se extinda, fara ca rata de expansiune sa se schimbe.
Masuratorile densitatii masei trebuie sa includa atat materia luminoasa, cat si pe cea neagra. Prin urmare, este important sa stim cat de multa materie neagra exista in univers. Observatiile recente ale miscarilor supernovelor indepartate sugereaza ca, de fapt, rata de expansiune a universului accelereaza. Aceste observatii ne ofera o a patra posibilitate, un univers accelerat in care toate galaxiile se vor indeparta una de alta destul de rapid. In acest caz, universul va deveni rece si intunecat (mai rapid decat in cazul unui univers deschis, dar tot va dura zeci de miliarde de ani). Nu se stie care este cauza acestei accelerari, insa a fost numita “energie neagra”. Energia neagra este si mai misterioasa decat materia neagra.
Cercetatorii se concentreaza acum pe raspunsurile la aceste intrebari: Care este natura materiei negre? Cata materie neagra exista cu adevarat? Care este distributia exacta a materiei negre in univers? Ce este energia neagra? Raspunsurile la aceste intrebari vor imbunatati intelegerea noastra in ceea ce priveste originea, structura si soarta universului.
