Gdy 30 grudnia 1924 roku Edwin Hubble opublikował pracę, w której dowodził, że niewyraźne mgławice na nocnym niebie to nie części naszej galaktyki – Drogi Mlecznej, lecz osobne galaktyki, astronomowie zobaczyli wszechświat miliardy razy większy i bardziej interesujący niż im się do tej pory wydawał.

Od tego czasu zdawało się, że znajdującą się we wszechświecie materią rządzi niepodzielnie grawitacja. Idąc tym tropem Fritz Zwicky w latach trzydziestych zbadał prędkość ruchu galaktyk w gromadach galaktyk i obliczył, jaka musiałaby na nie działać grawitacja. Jakież było jego zdziwienie, gdy odkrył, iż galaktyki w gromadach poruszają się zbyt szybko. Doprowadziło go to w 1933 roku do postulatu, iż w gromadach galaktyk znajduje się dodatkowa materia, która utrzymuje galaktyki w ruchu wokół centrum gromad. Nazwał ją ciemną materią, ponieważ nie mógł dostrzec jej przez ówczesne teleskopy.

Kariera ciemnej materii

Dalsze prace nad zrozumieniem pochodzenia materii we wszechświecie pozwoliły naukowcom dojść do wniosku, iż obserwowana materia stanowi zaledwie 5 procent całej masy wszechświata. Obserwacje, które doprowadziły do takiego wniosku, były prowadzone niezależnie od dotychczasowych obserwacji nieba i wyniki ich są obecnie powszechnie traktowane jako wielkie osiągnięcie kosmologii. Dalsze badania pokazały, że wszechświat złożony jest w około trzech czwartych z tzw. ciemnej energii, której właściwości do tej pory są wielką zagadką nauki. Jedną czwartą stanowi natomiast mieszanina zwykłej materii, znanej nam z życia codziennego i widocznej na niebie pod postacią gwiazd i galaktyk oraz ciemnej materii. Badania kosmologiczne nad ciemną materią ukazały, iż stanowi ona około dwadzieścia procent całej masy wszechświata. Równocześnie pozwoliły ustalić, iż ciemna materia powinna składać się z cząstek podobnych do cząstek elementarnych, takich jak elektrony czy protony, jednak o wiele bardziej masywnych i prawie nieoddziałujących ze znanymi nam cząstkami elementarnymi.

Równocześnie od lat pięćdziesiątych astronomowie zaczęli badać prędkość biegu gwiazd wokół centrum galaktyk spiralnych. Tu również zauważyli, że jest ona zbyt wysoka. Dodatkowo w pewnym momencie prędkość ruchu gwiazd zamiast zacząć spadać osiągała pewną maksymalną wielkość i utrzymywała się aż do końca widzialnego dysku galaktyki spiralnej. Zdawało się naturalne, że gwiazdy w galaktyce, tak jak galaktyki w gromadach, utrzymywane są przez ciemną materię. Ostatecznie więc miałoby się okazać, iż cząstki ciemnej materii znajdują się nie w gromadach galaktyk, lecz tworzą hala ciemnej materii w galaktykach spiralnych, powiększając w ten sposób masę galaktyk, a przez to całych gromad. Koncepcja ta wydawała się bardzo dobra. Wyjaśniała ona jednocześnie prędkość galaktyk w gromadach i gwiazd w galaktykach. Pozostała tylko jedna trudność: wykrycie cząstek ciemnej materii na Ziemi przy wykorzystaniu tak dopracowanego modelu rozkładu ciemnej materii w otaczającym nas kosmosie.

Poszukiwania ciemnej materii

Od tego czasu prace obserwatorów i teoretyków zmierzają do bezpośredniego wykrycia cząstek ciemnej materii lub przynajmniej pozostałości ich oddziaływania z normalną materią czy pozostałości rozpadu tych nieuchwytnych cząstek. Obserwacje gromad galaktyk coraz dobitniej ukazują nam, iż dynamika i grawitacja tych obiektów zdominowana jest przez ciemną materię. Zderzenia gromad galaktyk czy też obecność gorącego gazu w gromadach pokazywały, że grawitacja ciemnej materii utrzymuje w gromadzie galaktyki i znajdujący się tam gaz jak parę pod pokrywką garnka. Były to kolejne spośród wielu dowodów na prawdziwość postulatu Zwicky’ego.

Całkiem inaczej sprawa miała się w przypadku galaktyk spiralnych. Tu postulat istnienia ciemnej materii i jej dominacji w dynamice galaktyki natrafił na rozliczne problemy. Obecne modele jej rozkładu w galaktykach spiralnych nie dają odpowiedzi na pytania: Jak galaktyka powstała? Dlaczego tak wygląda? Natomiast próby detekcji cząstek ciemnej materii w laboratoriach przy założeniu takiego rozkładu ciemnej materii, aby mógł on utrzymać gwiazdy na ich orbitach wokół centrum galaktyki, nie dają pozytywnego efektu. Mimo ukazujących się co jakiś czas doniesień o pojawieniu się w laboratoriach naziemnych sygnałów pochodzących od cząstek ciemnej materii, późniejsza próba detekcji tych cząstek przez inne grupy badawcze nie przynosi potwierdzenia pierwszych nadziei. Także doniesienia o odkryciu promieniowania kosmicznego, pochodzącego jakoby z miejsc w galaktykach, gromadach kulistych czy gromadach galaktyk, gdzie według modeli ciemna materia jest na tyle gęsta, by mogła oddziaływać ze zwykłą materią lub się rozpadać, dając sygnał obserwowany na Ziemi, nie wytrzymały próby potwierdzenia i weryfikacji przez innych obserwatorów. Za każdym razem okazywało się, że obserwowane zjawiska mają bardziej prozaiczne, choć równie fascynujące wyjaśnienie, które jednak nie wymaga istnienia cząstek ciemnej materii takiej masy i w takiej ilości, jak pierwotnie się spodziewano. Rodzą się więc pytania: Czy cząstki ciemnej materii są dziwniejsze niż nam się wydawało? Czy może rozkład ciemnej materii w galaktyce jest rekonstruowany prawidłowo?

Wszystkiemu winne dyski

Z tymi problemami spotkali się także badacze ciemnej materii pracujący w Uniwersytecie Jagiellońskim oraz w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie w grupie profesora Marka Kutschery: Joanna Jałocha, Łukasz Bratek i niżej podpisany. Zauważyliśmy, iż o ile w gromadach galaktyk galaktyki są rozmieszczone w miarę równomiernie w sferycznym halo ciemnej materii, o tyle gwiazdy w galaktykach zgrupowane są w cienkim dysku tworzącym jakby płaski rotujący talerz. Prosty test sferyczności rozmieszczenia materii w galaktykach spiralnych wykazał, że na podstawie ruchu gwiazd nie można założyć, iż galaktyki zdominowane są przez sferyczne halo ciemnej materii. Dało to podstawy do założenia, że galaktyki spiralne mają symetrię nie sferyczną jak balon, lecz osiową, podobną do talerza czy półmiska. Natomiast w dynamice gwiazd w galaktykach spiralnych zdaje się dominować ich własna masa oraz masa gazu i pyłu znajdującego się w dysku, który nie świeci światłem widzialnym, lecz który można wykryć przy użyciu radioteleskopów.

Prace nad rozwojem modelu galaktyk spiralnych prowadzimy od kilku lat i systematycznie publikujemy otrzymane wyniki w prestiżowych czasopismach. Pokazały one także, iż nie zakładając a priori istnienia ciemnej materii jako dominującego składnika masy galaktyk spiralnych można zrezygnować z innych założeń, które budziły do tej pory gorące dyskusje wśród astrofizyków. Jednym z najbardziej dobitnych tego przykładów jest brak konieczności zakładania związku między jasnością dysku galaktyki a masą zgromadzoną w dysku. Pozwala to uwolnić się od konieczności zakładania, jak wyglądała ewolucja galaktyki, jak rozłożone są przez to gwiazdy w dysku i jak są masywne. Zamiast tego rozkład masy w galaktyce otrzymujemy z założenia, że galaktyka zdominowana jest przez symetrię osiową, z ruchu gwiazd w galaktyce i rozkładu masy nieświecącego gazu i pyłu. Rozkład gazu i pyłu oraz prędkość gwiazd znamy bezpośrednio z obserwacji, natomiast czy mamy do czynienia z symetrią osiową, możemy sprawdzić przed przystąpieniem do pracy dzięki stosowaniu zaproponowanego testu sferyczności.

Zwicky miał rację

Wyniki otrzymane pod kierunkiem prof. Marka Kutschery opublikowano na łamach „Monthly Notices of the Astronomical Society” (czasopisma brytyjskiego Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego) w serii artykułów z 2010 roku. Zdają się one pokazywać, iż do wyjaśnienia wszystkich zadziwiających zjawisk występujących w galaktykach spiralnych wystarczy znana nam z życia codziennego materia zgromadzona w płaskim dysku w gwiazdach i gazie. Proponowany model pokazuje równocześnie, iż w istniejących galaktykach spiralnych nieświecący gaz i pył mogą stanowić nawet jedną trzecią masy całej materii znajdującej się w galaktyce. Dotychczasowe nieuwzględnienie tego faktu przez astronomów i astrofizyków faktycznie więc musiało prowadzić do sprzeczności między obserwowanymi ruchami gwiazd a spodziewaną z modeli prędkością gwiazd.

Obecnie prowadzimy dalsze badania nad potwierdzeniem prawdziwości proponowanego modelu. Korzystając z dostępnych danych staramy się pokazać, iż nie tylko nasza Droga Mleczna nie wymaga do swego istnienia założenia o dominującej roli ciemnej materii w swej dynamice. Jak do tej pory sprawdziliśmy ponad 126 galaktyk spiralnych za pomocą testu sferyczności, który pokazał, że prawie jedna czwarta z nich nie wymaga założenia o sferycznym rozkładzie materii. Dla pięciu galaktyk spiralnych znaleźliśmy natomiast pełne dane jasności i rozkładu gazu w dysku i pokazaliśmy, iż dynamikę tych galaktyk można w pełni wyjaśnić bez zakładania a priori istnienia w nich ciemnej materii. Głównym problemem, jaki napotykamy na swej drodze, jest brak dokładnych pomiarów prędkości rotacji gwiazd w galaktykach i wiarygodnych danych o rozkładzie gazu i pyłu w dyskach galaktyk. Wydaje się jednak, że otrzymane wyniki pozwalają co najmniej wyodrębnić sporą grupę galaktyk, dla których założenie o dominacji ciemnej materii w ewolucji i ruchu gwiazd jest zbyteczne.

Nasze badania pokazują również, że pierwotna propozycja Zwicky’ego, mówiąca o tym, że głównym, a może jedynym skupiskiem ciemnej materii są gromady galaktyk, jest może pierwszym, ale najlepszym pomysłem. Natomiast próby mechanicznego kopiowania zjawisk występujących w dużych skalach do wyjaśnienia zachowania o wiele mniejszych obiektów potrafią uczynić wiele szkody i zamieszania w rozumieniu otaczającego nas świata.