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 temperatura 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 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 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 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