Prof. Hiranya Peiris o poszukiwaniach ciemnej materii i energii

Prof. Hiranya Peiris - astrofizyk na University of Cambridge. Podczas doktoratu na Princeton University uczestniczyła w analizie danych z kosmicznej misji WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), której wyniki Stephen Hawking miał określić jako jedne z najbardziej ekscytujących postępów w fizyce dokonanych w trakcie jego kariery.

Badania polegały na niezwykle precyzyjnym mapowaniu temperatury mikrofalowego promieniowania tła, określanego echem Wielkiego Wybuchu, bo pozwala naukowcom odczytać wiele informacji na temat bardzo młodego wszechświata. Dane z misji WMAP pozwoliły między innymi określić wiek wszechświata na 13,77 miliarda lat temu.

Prof. Hiranya Peiris podczas Copernicus Festival w Krakowie mówiła między innymi o poszukiwaniach ciemnej materii, o której wiemy, że stanowi ponad 80 procent masy wszechświata, lecz nie widzimy jej i nie wiemy, czym jest. O najbardziej prawdopodobnych „kandydatach” na cząstki ciemnej materii i o tym, jak możemy ich poszukiwać, opowiada w rozmowie z RMF FM.

Grzegorz Jasiński: Myślę, że ciemna materia, coś czego tak naprawdę nikt nie rozumie, czym jest, jest jakoś obecna w opinii publicznej. Jeśli ktoś jest zainteresowany wszechświatem, wie, że wy naukowcy, szukacie czegoś takiego. Chciałbym więc zacząć od pytania, czy obecność ciemnej materii jest jedyną prawdopodobną teorią, która może wyjaśnić wszechświat, czy jeśli jej nie znajdziecie, będziecie mieli inny sposób na wyjaśnienie tego, jak wygląda?

Hiranya Peiris: Całkiem sporo wysiłku teoretycznego włożono w to, by znaleźć alternatywy dla ciemnej materii. I te teorie są również testowane, równocześnie z ciemną materią. Najbardziej znanym przykładem jest modyfikacja grawitacji Einsteina i niestety te wysiłki nie przyniosły efektów. Teorie zostały przetestowane i tak naprawdę nie pasują do danych ani nie wyjaśniają ich z takim samym poziomem prostoty jak hipoteza ciemnej materii. Wielu ludzi było bardzo sceptycznych wobec ciemnej materii. Mówili: „Och, wymyśliliście nową rzecz, żeby wyjaśnić obserwacje”. Ale z czasem przewidywania, które hipoteza ciemnej materii pozwala sformułować na temat różnych epok wszechświata i różnych obserwowalnych wartości zostały zasadniczo przetestowane i wszystkie okazały się spójne. W kosmologii nie możemy przeprowadzać eksperymentów. Jest jeden wszechświat, eksperyment został wykonany. Jedyne co możemy zrobić, to porównywać teorie z danymi. Możemy to jednak robić w różny sposób, możemy to robić we wczesnym wszechświecie, możemy to robić we wszechświecie późnym. Możemy to robić w strukturach o różnych skalach rozmiarów, od galaktyki, przez duże gromady galaktyk, aż po cały wszechświat. I właśnie ta spójność jednej idei we wszystkich tych skalach sprawia, że hipoteza ciemnej materii jest obecnie najbardziej przekonująca.

Naukowcy są przekonani, że ciemna materia odczuwa grawitację i jest źródłem grawitacji. Czy możliwe jest, że jest podobna do zwykłej materii, ale różni się, właściwościami elektromagnetycznymi lub innymi właściwościami? Czy to możliwe? Może dlatego jej nie widzimy?

To jest dokładnie obecnie wiodąca hipoteza, że ciemna materia jest źródłem grawitacji, zakrzywia czasoprzestrzeń tak jak zwykła materia. Po prostu jest jej dużo więcej. Około 80 proc. materii we wszechświecie wydaje się być ciemną materią, ale rzeczywiście hipoteza mówi, że oddziałuje ona ze zwykłą materią w bardzo, bardzo słaby sposób. W rzeczywistości jednym z czołowych kandydatów na cząstkę ciemnej materii są słabo oddziałujące masywne cząstki, czyli WIMP-y, co oznacza, że oddziaływanie ze zwykłą materią jest ekstremalnie słabe. Nie jest jednak zerowe i dlatego możemy to testować. Z kolei inny kandydat, aksjon, ma bardzo małe prawdopodobieństwo przekształcenia się w fotony, które są cząstkami światła i w ten sposób również go poszukujemy. Tak więc rzeczywiście istnieje bardzo słaba interakcja między naszym światem złożonym z atomów a kandydatami na ciemną materię, które ludzie postulują i których szukamy.

Jak duża jest różnica między tymi dwiema hipotezami, WIMP-ami i aksjonami?

To bardzo dobre pytanie. Można je głównie rozróżnić po masie cząstki, która ma być kandydatem na ciemną materię. W przypadku WIMP-ów są one bardziej masywne i sposób ich poszukiwania polega na tym, że umieszcza się masywne jądra pod ziemią, na przykład w gigantycznych zbiornikach z wodą i czeka, aż cząstka ciemnej materii ewentualnie tam się znajdzie, dojdzie do oddziaływania i pojawi się błysk światła. Takie detektory nazywają się detektorami Czerenkowa i to jest jeden ze sposobów ich poszukiwania. Natomiast aksjon jest dużo lżejszy, więc zachowuje się bardziej jak fala niż cząstka. Szukamy go właśnie przez tę właściwość, że poszukujemy zasadniczo fali radiowej przenikającej cały wszechświat i znajdujemy ją przez dostrojenie naszego radioteleskopu do ciemnej materii na odpowiednią częstotliwość, gdzie częstotliwość odpowiada masie.

Czy istnieje jakieś powiązanie, które mogłoby sprawić, że znalezienie bozonu Higgsa mogłoby pomóc w tych poszukiwaniach, czy nie?

Jak dotąd nie wydaje się, żeby było jakieś powiązanie. Teorie opisujące Bozon Higgsa funkcjonują w skali TEV, czyli teraelektronowoltów. To jest to, co faktycznie było testowane w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Jego uruchomieniu towarzyszyły spore nadzieje na to, że zobaczymy nową fizykę związaną z pewnym typem łamania symetrii, supersymetrią, w tym samym czasie co odkrycie bozonu Higgsa, że zobaczymy nowe cząstki. To było bardziej związane z hipotezą WIMP-ów i niestety nie zobaczyliśmy tych cząstek. Ale to nie jest bezpośrednio powiązane z bozonem Higgsa, raczej ludzie spodziewali się czegoś w tej skali energii. Tak więc rzeczywiście Wielki Zderzacz Hadronów może też testować kandydatów na ciemną materię i jak dotąd nic nie wykrył.

Jakie są inne metody? Jedną z nich jest mikrosoczewkowanie. Jest popularne w Polsce, bo polscy astronomowie pracują w tej dziedzinie. I jak rozumiem, naukowcy szukają śladów efektów mikrosoczewkowania za czymś, czego nie można zobaczyć. Czy to prawda?

Tak. Kolejnym kandydatem na ciemną materię są małe, zwarte obiekty. Mogą to być na przykład czarne dziury, pierwotne czarne dziury. Jeśli to one są kandydatami na ciemną materię, istnieje sporo ograniczeń obserwacyjnych dotyczących ich masy, a te masy są dużo, dużo większe niż cząstki ciemnej materii. Na przykład czarna dziura o masie 30 razy większej niż Słońce mogłaby być kandydatem na ciemną materię. I ludzie szukają ich właśnie metodą mikrosoczewkowania, którą zapoczątkowano tutaj, w Polsce. Jednym z pionierów był Bohdan Paczyński, który był moim nauczycielem, gdy byłam doktorantką w Princeton i mam o nim bardzo, bardzo dobre wspomnienia. Te wysiłki z czasem dostarczyły bardzo rygorystycznych ograniczeń dla hipotez pierwotnych czarnych dziur jako ciemnej materii. I to dzięki tej fantastycznej technice zwanej mikrosoczewkowaniem.

Jaka byłaby różnica między, powiedzmy, ciemną czarną dziurą a zwykłą czarną dziurą?

Tak naprawdę nie ma żadnej różnicy. Myślimy, że istnieją czarne dziury o różnych zakresach mas we wszechświecie. Niektóre powstają, gdy bardzo masywne gwiazdy kończą swoje życie, więc to są czarne dziury o masie gwiazdowej. Potem są ogromne, bardzo masywne czarne dziury w centrach galaktyk, które uważa się, że powstały z pierwotnych zarodków, jakoś zasianych we wczesnym wszechświecie. W praktyce nie wiemy, jak powstały, ale wiemy, że te masywne czarne dziury faktycznie istnieją w centrum prawie każdej galaktyki. Pierwotne czarne dziury, które mogłyby stanowić ciemną materię, znajdują się gdzieś pomiędzy tymi dwoma zakresami mas i być może będą mogły zostać odkryte przez obserwatoria fal grawitacyjnych.

Czy nauka ma już cały niezbędny sprzęt, aby próbować znaleźć ciemną materię? I teraz wystarczy tylko czekać, aż coś się wydarzy? Czy Obserwatorium Very Rubin to moment możliwego przełomu?

Myślę, że moment możliwego przełomu wydaje się dość bliski. Powtórzę, że są dwie główne klasy kandydatów: WIMP-y i aksjony. Dla WIMP-ów zbliżamy się już do ostatniej generacji eksperymentów, które zasadniczo zepchną granice eksperymentalne aż do tzw. mgły neutrinowej. To jest tło, które uniemożliwia dalsze zagłębianie się w poszukiwania cząstek, ale jednocześnie naturalnie zamyka przestrzeń parametrów dopuszczalnych dla hipotezy WIMP-ów. W przypadku aksjonów jest ogromny zakres mas, które możemy badać i oczywiście, gdy zakres jest tak szeroki, każdy pojedynczy eksperyment może badać tylko mały fragment tego zakresu. Może bardzo głęboko badać mały zakres mas, ale poza tym pozostaje szeroki zakres innych mas do zbadania. Nie mamy jeszcze technik eksperymentalnych, by zbadać cały ten zakres mas, ale zaczynamy mieć techniki, które mogą zbadać najbardziej przekonujące i prawdopodobne zakresy mas, więc miejmy nadzieję, że jeśli coś jest do znalezienia, będziemy mogli to zbadać w ciągu najbliższych kilku lat. A jeśli nadal nic nie znajdziemy, to myślę, że naukowcy zaczną mieć już powody do prawdziwego niepokoju i miejmy nadzieję, że pojawią się zupełnie nowe pomysły. Obecnie nie potrafię przewidzieć, czym one będą. Nie jestem teoretykiem, ale teoretycy są bardzo kreatywni i czasem trzeba im bardzo stanowczo powiedzieć, że teorie, nad którymi pracowali długo, nie są właściwe, wtedy myślą na nowo, na świeżo.

Czy uważa pani, że zagadka ciemnej materii jest po prostu pojedynczą zagadką, która jest bardzo interesująca, fascynująca i naukowcy chcą wiedzieć, jak to jest, czy jest to tylko krok do czegoś większego, do szerszego zrozumienia, do odpowiedzi na pytania, których nawet teraz jeszcze nie mamy?

Myślę, że to to drugie. To zdecydowanie część dużo większej zagadki dotyczącej tego, dlaczego wszechświat wydaje się składać z tak dużej ilości ciemnej materii. To nie tylko zresztą ciemna materia, to także ciemna energia. Przynajmniej dla ciemnej materii mamy całkiem przekonujące teoretyczne kandydatury, które są rozsądnymi i ograniczonymi rozszerzeniami naszej wiedzy o fizyce cząstek. Dla ciemnej energii to ogromna zagadka. A kiedy wszechświat mówi ci, że wszystko, co znamy i co testowaliśmy w laboratorium, stanowi tylko 5 proc. jego zawartości, to myślę, że natura sygnalizuje, że jest coś bardzo głębokiego w fundamentalnej fizyce dotyczącej najmniejszych skal, czego nie rozumiemy. I myślę, że powinniśmy zwracać uwagę na taki sygnał od wszechświata. Niestety prowadzi to do fizyki w skalach energii, które są bardzo trudne do przetestowania w laboratorium za pomocą zderzaczy cząstek. Ale mimo to musimy znaleźć sposoby, by empirycznie testować te poziomy fizyki, które faktycznie kontrolują, co dzieje się z naszym wszechświatem, jak się narodził i co się z nim stanie w przyszłości.

Czy uważa pani, że znalezienie ciemnej materii mogłoby pomóc zrozumieć ciemną energię? Efekty ich „działania” są jakby przeciwne.

One zdecydowanie działają przeciwnie. Ciemna materia zapewnia grawitację, która powoduje przyciąganie, bez niej trudno sobie wyobrazić, że wszechświat wyglądałby tak, jak wygląda dzisiaj, ale ciemna energia jest bardziej jak antygrawitacja. To bardziej siła odpychająca. Osobiście uważam, że fizyka tych dwóch zjawisk nie jest powiązana i że ciemna energia ujawnia coś bardzo głębokiego o naturze energii próżni, czyli energii pustej przestrzeni. To jest zagadka związana z tzw. stałą kosmologiczną. Nawet Einstein zdał sobie sprawę, że to wielka zagadka i nazwał to swoim największym błędem, że wprowadził tę stałą kosmologiczną do swoich równań. Ale teraz widzimy, że wszechświat faktycznie posiada coś w rodzaju stałej kosmologicznej, z tym że jeśli weźmiemy nasze teorie fizyki cząstek i spróbujemy obliczyć tę liczbę, tę stałą, to wartość, którą otrzymujemy, jest ogromna. Jest to 10 do potęgi 120 razy większej niż to, co faktycznie obserwujemy jako astronomowie. Ta rozbieżność stanowi zasadniczo najgorszą możliwą prognozę w fizyce i mimo dziesięcioleci pracy nie mamy pojęcia, dlaczego ta rozbieżność występuje i co mówi nam o fizyce. To zaprowadziło teoretyków w bardzo dziwne miejsca. Na przykład Steven Weinberg, bardzo znany fizyk teoretyczny, zasugerował, że tę wartość można naturalnie wyjaśnić, jeśli istnieje multiwszechświat, czyli wiele, wiele różnych wszechświatów, a stała kosmologiczna może przyjmować w nich różne wartości. I nie bylibyśmy obecni jako obserwatorzy we wszechświecie, gdzie wartość byłaby bardzo duża, bo struktura ta nie mogłaby się uformować, by powstały istoty takie jak my. Tak więc można dojść z tymi pomysłami do bardzo dziwnych miejsc, rodem z science fiction. Myślę, że ciemna materia jest prawdopodobnie łatwiejszym problemem do rozwiązania niż problem ciemnej energii, a my, kosmolodzy, obecnie zajmujemy się charakteryzacją ciemnej energii, jej właściwości i cech, tak aby w przyszłości teoretycy mogli mieć swoje pomysły ograniczone przez dane empiryczne.

A co pani myśli o multiwszechświecie?

Ja osobiście uważam tę hipotezę za przekonującą, ale to jest tylko idea i chciałabym, żeby została przetestowana. Wcześniej w mojej pracy próbowałam sformułować metody testowania hipotezy multiwszechświata, w formie zwanej wieczną inflacją. Nie będę wchodzić w techniczne szczegóły, ale istnieje możliwość, że gdy nasz wszechświat się narodził, powstał w formie bańki tworzącej się z bardzo, bardzo dużej struktury poza naszym horyzontem obserwacyjnym. Mogły powstać inne bańki obok nas i jeśli byłyby wystarczająco blisko, mogłyby się zderzyć, co dałoby charakterystyczny sygnał w najwcześniejszym świetle, które możemy zobaczyć we wszechświecie, czyli w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła. Sformułowaliśmy teorie i obliczenia, by przewidzieć ten sygnał i wciąż czekamy na dane, które pozwolą to przetestować. To był bardzo fajny projekt i uważam, że musimy bardziej się zastanowić, jak testować teorie takie jak multiwszechświat.

Wróćmy do ciemnej materii. Jak będą przebiegać poszukiwania ciemnej materii w najbliższych kilku latach? Jaki będzie pomysł, jaki sprzęt, jakie sposoby jej poszukiwania?

To bardzo dobre pytanie. Są dwie różne rzeczy, które naukowcy próbują. Jedna to patrzenie w niebo. Będziemy mieć bardzo duże teleskopy wykonujące bardzo szczegółowe zdjęcia galaktyk i możemy używać metod takich jak silne soczewkowanie grawitacyjne, które jest zasadniczo grawitacją ciemnej materii działającą jak kosmiczna lupa oraz słabe soczewkowanie grawitacyjne, czyli drobne zniekształcenia kształtu galaktyk spowodowane przez ciemną materię na pierwszym planie. Możemy używać tych technik do mapowania ciemnej materii w różnych epokach historii wszechświata, a także do badania bardzo szczegółowego zachowania dynamiki gwiazd w naszej własnej Galaktyce, Drodze Mlecznej, która również zawiera ciemną materię. Wspomniał pan wcześniej metodzie mikrosoczewkowania. To są sposoby patrzenia w niebo, by opisywać, co ciemna materia robi we wszechświecie. I tu już zaczyna się rozróżniać różne teorie. Druga droga to faktyczna identyfikacja cząstki odpowiedzialnej za ciemną materię we wszechświecie. Myślę, że można powiedzi