Vera Rubin w 1972 roku.

Już po Świętach, wszelkie łakocie pozjadane (ostały sie co poniektóre na choince), a kalendarz pędzi i ludzie też odchodzą do Wieczności.

Kolejna tuz nauki, Vera Rubin, odkrywczyni i postulantka ciemnej materii, zmarła 25 grudnia. Miała 88 lat.

Istotą Jej spostrzeżenia był fakt, że gdyby materia była w pełni widoczna to oglądalibyśmy – sporządzając tzw. krzywą rotacji galaktyki (najprościej mówiąc, zależność prędkości liniowej rotacji gwiazd wokół środka danej galaktyki od odległości od tego centrum) – spadek prędkości rotacji ku peryferiom tejże galaktyki. Tymczasem, Vera Rubin sporządziła szereg takich krzywych (uzyskując jako pierwsza kobieta dostęp do teleskopu palomarskiego będącego przez długi czas jednym z najpotężniejszych tego typu instrumentów na świecie) i stwierdziła, że krzywa rotacji wcale nie opada – jest płaska a nawet lekko się wznosi! Wyjaśniła to istnieniem tzw. ciemnej materii, czyli takiej jej odmiany która oddziałuje grawitacyjnie a wymyka się obserwacjom w znanym nam promieniowaniu elektromagnetycznym (a zatem optycznym, radiowym, rentgenowskim, gamma, w podczerwieni, w nadfiolecie itp.). Stąd przydomek “ciemna” – bo jej nie widać a jednak jest.

Krzywa rotacji dla galaktyki M33. Obserwacje w świetle widzialnym i radiowe sugerują wznoszenie się krzywej rotacji (czyli wzrost prędkości liniowej obiegu gwiazd i obłoków wodoru wokół centrum M33). Krzywa przerywana sugeruje spadek tej prędkości gdyby nie było ciemnej materii lub była nieistotna. Różnica jest jednym z dowodów na istnienie tzw. ciemnego halo galaktyki, przy założeniu że rozkład materii jest sferycznie symteryczny (co nie musi mieć miejsca, np. gdy materia – tak ta widoczna, jak i ciemna – układa się w kształt spłaszczonego dysku). Badaniami wpływu tego efektu na wygląd krzywej rotacji zajmowali się krakowscy astrofizycy: doc. Joanna Jałocha-Bratek wraz z doc. Łukaszem Bratkiem i prof. Markiem Kutscherą. ly=light years, lata świetlne. 1 rok świetlny to około 9 bilionów kilometrów. 1000 ly zatem to 9 biliardów (10^15) km.

Przez pewien czas, jak to w tych “męskich” czasach bywało hipoteza Very Rubin została poddana ostrej krytyce jednakże później została potwierdzona a dziś nikt nie śmie – po przebadaniu krzywych rotacji tysięcy galaktyk – powątpiewać w istnienie ciemnej materii (ang. Dark Matter, DM) w większości z tych obiektów. Stworzono jej klasyfikację, podzielono na zimną (CDM) i gorącą, jest ona elementem konstrukcyjnym części modeli kosmologicznych i według bieżącej wiedzy stanowi większość materii wnoszącej wkład do gęstości krytycznej Wszechświata, Ω. Resztę stanowi obserwowana materia (4%) i ciemna energia (70%), przy czym ta ostatnia była do niedawna poszukiwana w akceleratorze LHC a jej manifestacją miało być odkrycie bozonu Higgs’a. Tę historię jednak mogą już jednak opowiedzieć inni a znamy ją po części z mniej lub bardziej naukowych doniesień w prasie czy z prelekcji kosmologa, dra Sławomira Stachniewicza w PTMA (link do prezentacji).

Vera Rubin w połowie lat 80-tych XX w.

A historia Very Rubin jako żywo wpisuje się w historię nauki i demaskulinizacji różnych gremiów. Dość wspomnieć wcześniejsze wysiłki Marii Curie-Skłodowskiej na Sorbonie czy późniejsze Jocelyn Bell-Burnell przy odkryciu pulsarów o której w astro-notkach było… Wynika z nich, że postęp naukowy – podobnie jak łagodzenie obyczajów – zajmuje czasem jedno lub dwa pokolenia, zaś ci którzy odważali się mówić językiem przyszłości byli poddawani krytyce surowszej niż wynikająca jedynie z kryteriów merytorycznych (bo także z niedowierzania a czasem deprecjonowania).

Fragment deceleratora w CERN z pułapką magnetyczną i możliwością chłodzenia antyprotonów.

Drugim tematem bieżących astro-notek jest wytworzenie atomu antywodoru w CERN i pomiar jednego z jego przejść widmowych (1S-2S). Okazuje się, że aby tzw. Model Standardowy cząstek elementarnych (stosunkowo stary, ale ustawicznie potwierdzany na przestrzeni kilkudziesięciu lat odkryciami choćby kolejnych kwarków i oznaczaniem ich mas) okazał się słuszny, częstość fotonu emitowanego lub absorbowanego w tym przejściu musiała być taka sama jak w zwykłym atomie wodoru. Prawie oczywiste, jednak technicznie zagadnienie było przez ponad 20 lat niewykonalne. Dopiero eksperyment ALPHA w spowalniaczu antyprotonów w CERN (czyli profesjonalnym urządzeniu do chłodzenia antyprotonów) umożliwił uzyskanie substratów do produkcji atomów antywodoru (poprzez magnetyczne pułapkowanie i precyzyjne mieszanie dwóch chmur złożonych z plazmy antyprotonów oraz pozytonów, czyli antyelektronów), schłodzenie nikłej części powstałych w ten sposób atomów antywodoru i wreszcie oświetlenie ich koherentnym (czyli mającym konkretną, jedną częstotliwość oraz fazę) światłem lasera o odpowiedniej barwie. I – bingo! Linia widmowa antywodoru dla przejścia 1S-2S stoi dokładnie tam, gdzie jej kuzynka w zwykłym atomie wodoru. Model Standardowy przeszedł kolejną próbę obronną ręką.

Model Standardowy – schemat cząstek elementarnych (kwarków i leptonów, na fioletowo i zielono) oraz cząstek pośredniczących (na czerwono). Na żółto u góry – bozon Higgsa. Kwarki i leptony to tzw. fermiony – cząstki które obowiązuje zakaz Pauliego (i spełniające statystykę Fermiego-Diraca), prawa strona tego „mini-układu okresowego” to bozony, podlegające statystyce Bosego-Einsteina. Stąd wynika, że np. foton to bozon i nie podlega zakazowi Pauliego zaś elektron to fermion – czyli że nie może przebywać z innym elektronem o identycznych liczbach kwantowych w jednej komórce elementarnej. Zakaz Pauliego sprawia że istnieją gwiazdy nazwane białymi karłami (white dwarfs) – stanowiące coś w rodzaju sieci krystalicznej o wielkiej gęstości. Przed kolapsem do gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury chroni je jedynie ów zakaz Pauliego i masa obiektu poniżej masy granicznej (Chandrasekhara) wynoszącej ~1.44 M Słońca.

Największym kłopotem technicznym nie było jednak otrzymanie pozytonu (gdyż ich rozpad od kilkunastu lat jest wykorzystywany w medycynie, w tomografach nowej konstrukcji, już znanych w Polsce jako badanie przy użyciu obrazowania PET – Positron-Electron Tomography) lecz oddzielenie materii od antymaterii tak, aby jedno z drugim nie miało kontaktu. Dość powiedzieć, że na 90000 antyprotonów otrzymywano około 25000 atomów antywodoru z których udało się schwytać średnio po… 14 na eksperyment. Takie uwięzienie umożliwiają specjalne pułapki magnetyczne. Gdyby nie one, materia anihilowałaby z antymaterią i mielibyśmy błysk, rodzaj eksplozji po której zostałoby jedynie… światło. Z jakiegoś powodu obserwujemy więcej materii niż antymaterii ale pierwsze detekcje pozytonów nastąpiły już przed wojną, kiedy latano do stratosfery balonem z licznikiem Geigera-Müllera na pokładzie w poszukiwaniu źródła naładowanych cząstek którym ostatecznie okazało się promieniowanie kosmiczne. Trzeba jednak zaznaczyć, że chodziło o pojedyncze cząstki a CERN jest ich seryjną fabryką, którą można porównać do odnalezienia “kamienia filozoficznego” przy poszukiwaniu złota przez średniowiecznych alchemików.

Tunel Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC – Large Hadron Collider).

Na koniec warto powiedzieć, że istnienia antymaterii domyślił się Paul Dirac – jeden z twórców mechaniki kwantowej, w 1928 roku. I że Model Standardowy nie wyjaśnia, dlaczego po Wielkim Wybuchu ocalało więcej materii niż antymaterii skoro „powinno” ich powstać po równo… Czy palce w tym maczała inflacja?

I to tyle tytułem urozmaicenia poświątecznego letargu, do zobaczenia na szlaku!

Marcin „Doktorek” Kolonko