Pogoń za egzotyczną materią

www.radiomaryja.pl/artykuly.php?id=1139474
2011-10-09
Pogoń za egzotyczną materią
Sto lat temu sądzono, że wszechświat to nasza galaktyka, zwana Drogą Mleczną, która istnieje samotnie w
nieskończonej pustej przestrzeni. W 1924 roku amerykański astronom Edwin Powell Hubble odkrył, że obok
Drogi Mlecznej, ogromnego systemu gwiezdnego zawierającego około 400 mld gwiazd, w tym Słońce,
istnieją inne odległe galaktyki. W roku 1929 ogłosił on, że oddalają się one od nas z prędkością wprost
proporcjonalną do odległości od Ziemi. Oznacza to, że wszechświat podlega ekspansji, podczas której
galaktyki odsuwają się jedna od drugiej, czyli że we wcześniejszych chwilach wszechświat miał większą
gęstość materii i zgodnie z prawami termodynamiki jego średnia temp eratura była wyższa.
Życie w wielkiej kuli
Około 13,7 mld lat temu wszechświat wypełniała plazma, czyli zjonizowany gaz, a jego średnia temperatura
wynosiła ponad 3000 K. W takim gorącym wszechświecie nie mogło rozchodzić się światło. Zatem możemy
go obserwować tylko do odległości około 13,7 mld lat świetlnych. Obserwowalny przez nas wszechświat ma
postać kuli o takim właśnie promieniu. Ziemia znajduje się w centrum tej kuli, natomiast nie wiemy, co
znajduje się na zewnątrz niej.
Ponieważ kula ta ma ogromne, trudne do uzmysłowienia rozmiary, aby pomóc naszej wyobraźni, załóżmy,
że Droga Mleczna, w przybliżeniu o kształcie dysku, ma średnicę 1 milimetra. W tej skali promień
obserwowalnego wszechświata wynosi około 140 m, czyli 140 000 milimetrów. Kula ta jest wypełniona
prawie równomiernie co najmniej 200 mld galaktyk, z grubsza milimetrowej wielkości, oddalonych jedna od
drugiej średnio o kilka centymetrów. Zauważmy, że promień tej kuli w ciągu ostatnich 100 tys. lat zwiększył
się tylko o 1 mm, a więc w skali czasu istnienia ludzkiej cywilizacji jest praktycznie niezmienny. Warto
także podkreślić, że bardziej przenikliwe od światła cząstki elementarne neutrina (o których było ostatnio
bardzo głośno w mediach z powodu przypuszczalnego dowodu doświadczalnego, że mogą poruszać się z
prędkością większą niż światło w próżni) mogą docierać do nas z odległości tylko o 4 mm większej niż
światło. Odległość ta wyznacza nieprzekraczalną w obecnej epoce granicę naszych możliwości badawczych.
Wykorzystując do obserwacji Księżyca, planet, Słońca, komet, Drogi Mlecznej i odległych obiektów
pozagalaktycznych zdobycze współczesnej fizyki, astronomii, techniki i technologii kosmicznej, stwierdzono
ponad wszelką wątpliwość, że w obserwowanej części wszechświata obowiązują te same co na Ziemi prawa
fizyki. Właśnie ten fundamentalny fakt umożliwia stosowanie metod odkrytych i wypracowanych na Ziemi
www.radiomaryja.pl
Strona 1/4
do badania całego dostępnego nam kosmosu. Dzięki temu mogła rozwinąć się astrofizyka, a następnie
kosmologia, czyli nauka o wszechświecie jako całości.
Budowa obserwowalnego wszechświata
Badania astrofizyczne wykazały, że otaczający nas wszechświat jest zupełnie inny, niż się wydaje na
pierwszy rzut oka. Gwiazdy bowiem stanowią niespełna 1 proc. jego masy, a rozrzedzony gaz i inne formy
zwykłej materii tylko mniej niż 5 procent. Z dynamiki tej widocznej, świecącej materii wynika, że gwiazdy
tworzą zaledwie niewielkie wysepki na bezkresnym oceanie zimnej ciemnej materii, stanowiącej blisko 23
proc. masy obserwowalnego wszechświata. Pozostałe 72 proc. tej masy stanowi tzw. ciemna energia, która
jest energią samej przestrzeni kosmicznej. Fizycy najczęściej uważają ją za energię fałszywej próżni
odpowiednich pól kwantowych.
W zasadzie najmniej wiemy o zimnej ciemnej materii stanowiącej aż 83 proc. materii obserwowalnego
wszechświata (pozostałe 17 proc. stanowi zwykła materia złożona głównie z jąder atomów). O ciemnej
materii wiemy niewiele więcej niż to, że tworzy ona zgęszczenia, które dają początek galaktykom i ich
gromadom, oraz że Droga Mleczna otoczona jest przez halo złożone z takiej materii. Symulacje
komputerowe ewolucji wszechświata pokazują np., że we wszechświecie pozbawionym ciemnej energii nie
byłoby galaktyk. Wiemy także, iż składa się ona z egzotycznych, nieznanych dotąd cząstek, wolno
poruszających się (dlatego mówi się, że ciemna materia jest zimna) i słabo oddziałujących ze zwykłą materią.
Jedna z teorii fizycznych przewiduje, że ciemna materia składa się z powolnych aksjonów, czyli
hipotetycznych cząstek o masie bilion razy mniejszej od masy atomu wodoru. Przypuszcza się także, że
składnikami ciemnej materii mogą być cząstki zwane neutralinami, które pojawiają się w teorii starającej się
uogólnić bardzo dobrze potwierdzony eksperymentalnie, standardowy model cząstek elementarnych.
Magnetyczny Spektrometr Alfa
W celu zbadania fizycznych właściwości i składu ciemnej materii oraz poszukiwania istnienia cząstek
dziwnych i swobodnej antymaterii w promieniowaniu kosmicznym, a także nieznanych, egzotycznych postaci
materii, w 1995 roku fizyk amerykański pochodzenia chińskiego, laureat Nagrody Nobla za rok 1976, Samuel
Chao Chung Ting zaproponował, dla uniknięcia niekorzystnego wpływu atmosfery, umieszczenie nie na
Ziemi, lecz w kosmosie, na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (International Space Station - ISS) dużego
magnetycznego spektrometru alfa (Alpha Magnetic Spectrometer - AMS). Z powodu tej propozycji fizyk
Ting został kierownikiem dużej grupy badawczej złożonej z około 500 naukowców pochodzących z 56
instytutów z 16 krajów. Przypomnijmy, że antymaterią nazywamy postać materii, w której każda cząstka
elementarna ma przeciwny zbiór właściwości kwantowych (takich jak np. ładunek elektryczny) niż jej
www.radiomaryja.pl
Strona 2/4
odpowiednik w codziennym świecie. W momencie kontaktu antymaterii ze zwykłą materią obie ulegają
anihilacji (unicestwieniu), a ich energia ulega przy tym zamianie na energię promieniowania
elektromagnetycznego lub energię kinetyczną lżejszych cząstek elementarnych. Stosunek ilości materii i
antymaterii został ustalony we wczesnym wszechświecie, ułamek sekundy po wielkim wybuchu. Z tego
powodu badanie antymaterii w przestrzeni kosmicznej może dostarczyć ważnych informacji o narodzinach
obserwowalnego wszechświata.
Uproszczona, prototypowa wersja spektrometru oznaczona AMS-01 poleciała na niską orbitę okołoziemską
na pokładzie wahadłowca Discovery w misji STS-91 w lipcu 1998 roku. Podczas tej misji zebrano precyzyjne
informacje na temat działania detektorów cząstek elementarnych w próżni kosmicznej na orbicie
okołoziemskiej. Konstrukcja docelowego spektrometru oznaczonego AMS-02 rozpoczęła się natomiast w
1999 roku.
Po 16 latach wytężonej pracy i wydaniu około 2 mld dolarów skonstruowano AMS-02, który jest słusznie
uważany za jeden z najbardziej kosztownych instrumentów badawczych kiedykolwiek zaprojektowanych.
Spektrometr AMS-02 jest wyjątkowym, unikalnym instrumentem (będącym zestawem różnych detektorów),
służącym do poszukiwania i mierzenia w promieniowaniu kosmicznym niezwykle rzadkich i egzotycznych
postaci materii, w tym postulowanych co do swego istnienia przez niektóre teorie fizyczne.
Promieniowanie kosmiczne to strumienie cząstek subatomowych i jąder atomów wyemitowanych przez
zwykłe gwiazdy, gwiazdy supernowe i neutronowe, czarne dziury oraz nieznane źródła, takie jak np. ciemna
materia. Niektórzy astrofizycy uważają, że Ziemia może być zasypywana dziwnymi antyatomami
docierającymi z odległych galaktyk zbudowanych nie ze zwykłej materii, lecz z antymaterii. Spektrometr
AMS-02 jest unikalny, ponieważ jako jedyny umożliwia odróżnienie cząstki zwykłej materii od cząstek
egzotycznej materii. Żaden istniejący instrument nie zawiera detektorów umożliwiających zbadanie
wszystkich istotnych właściwości cząstek subatomowych, tj. ich masy, prędkości i ładunku elektrycznego.
Spektrometr AMS-02, który waży 6917 kg, jest największym instrumentem umieszczonym w przestrzeni
kosmicznej, badającym promieniowanie kosmiczne. Został on dostarczony na ISS przez wahadłowiec
Endeavor w czasie przedostatniej misji amerykańskich promów kosmicznych, oznaczonej STS-134, 19 maja
2011 roku. Stacja kosmiczna ISS zapewnia spektrometrowi stabilne położenie na orbicie oraz dostarcza mu
niezbędną energię elektryczną o mocy na poziomie 2400 W.
Głównym zadaniem ogromnej stacji kosmicznej ISS o masie około 420 ton, która jest największym i
najdroższym projektem realizowanym we współpracy międzynarodowej, jest prowadzenie kompleksowych
badań naukowych i technologicznych w warunkach mikrograwitacji niemożliwych do osiągnięcia na Ziemi.
Do tej pory nie dokonano jednak na jej pokładzie żadnego przełomowego odkrycia naukowego. Można żywić
uzasadnioną nadzieję, że spektrometr AMS-02 zmieni tę sytuację i dokona fundamentalnych odkryć, czyniąc
www.radiomaryja.pl
Strona 3/4
ze stacji przyczółek badań naukowych na najwyższym światowym poziomie. Taka nadzieja jest uzasadniona,
ponieważ znacznie mniejszy i prostszy od AMS-02 satelita PAMELA, wystrzelony w połowie 2006 roku w
ramach współpracy europejsko-rosyjskiej, odkrył w 2011 roku cienki pas antyprotonów otaczający Ziemię,
zawierający tysiąckrotnie więcej tych antycząstek, niż spodziewano się znaleźć.
Rakieta SLS
Według pierwotnych planów spektrometr AMS-02 miał zostać po 3 latach sprowadzony za pomocą
wahadłowca na Ziemię. Dzięki temu można by zbadać stopień degradacji jego detektorów na orbicie
okołoziemskiej, co zwiększyłoby w istotny sposób wiarygodność uzyskanych wyników. Po naprawie i
unowocześnieniu AMS-02 mógłby być ponownie umieszczony na stacji kosmicznej ISS. Jednak, po przejściu
amerykańskich wahadłowców na emeryturę, takie plany nie są już możliwe do zrealizowania. Wahadłowce
bowiem mają być zastąpione przez projektowaną obecnie przez NASA ciężką rakietę o tymczasowej nazwie
SLS i o masie startowej w granicach 2500-3000 ton (zaznaczmy dla porównania, że masa startowa
wahadłowca Space Shuttle wynosiła tylko 2050 ton). Ta nowa rakieta SLS, umożliwiająca m.in. loty
załogowe poza niską orbitę okołoziemską (np. do pobliskiej planetoidy), nie nadaje się jednak do
sprowadzenia ciężkich ładunków z przestrzeni kosmicznej na Ziemię. Dlatego obecne plany przewidują
użytkowanie spektrometru AMS-02 bez przerwy do końca istnienia stacji ISS, czyli przynajmniej do 2020
roku.
Pomyślna realizacja przedstawionego międzynarodowego, kosmicznego projektu badawczego może stać się
istotnym krokiem w dalszym poznaniu struktury i historii wszechświata.
Prof. Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz
Uniwersytet Adama Mickiewicza w Poznaniu, Zakład Fizyki Kwantowej
www.radiomaryja.pl
Strona 4/4