Telescopul Spaţial James Webb va căuta misterioasa materie întunecată / Reprezintă aproximativ 85% din toată materia din Univers, dar este extrem de bine camuflată

Telescopul Spaţial James Webb (JWST) se alătură arsenalului de instrumente performante angajate în căutarea misterioasei materii întunecate, un tip de materie care nu interacţionează cu lumina şi din acest motiv este foarte greu de identificat, dar care, susţin oamenii de ştiinţă, este cea mai răspândită formă de materie din Univers, transmite revista Space.com, citată de Agerpres.

Space.com a intervievat trei oameni de ştiinţă cu privire la materia întunecată şi la utilizarea JWST pentru a obţine mai multe date despre aceasta. Principala problemă este cum va fi folosit acest telescop spaţial, incredibil de performant în spectrul infraroşu al luminii, pentru a descoperi un tip de materie care ar fi efectiv invizibilă pe toate lungimile de undă ale luminii.

Dacă materia întunecată este formată din particule ipotetice denumit axioni, atunci există o şansă ca aceste particule să se descompună natural, desfăcându-se în alte subparticule. În cadrul acestui proces ar putea fi eliberaţi fotoni, pe care JWST ar putea să-i detecteze.

„Descoperirea acestei lumini ar reprezenta o schimbare de paradigmă, ar fi, cu adevărat, descoperirea secolului”, a declarat pentru Space.com fizicianul teoretic specializat în astroparticule Elena Pinetti. „Descoperirea materiei întunecate ar dezvălui un întreg nou capitol în înţelegerea Universului” a adăugat ea.

Materia întunecată este numele ales de oamenii de ştiinţă pentru materia ipotetică ce ar reprezenta aproximativ 85% din toată materia din Univers. Acest lucru înseamnă că toate lucrurile pe care le vedem în jurul nostru, zi de zi, de la cele mai masive stele până la cele mai mici bacterii şi dincolo de acestea, reprezintă doar 15% din „lucrurile” din Univers.

În pofida ubicuităţii sale, materia întunecată este frustrant de bine camuflată prin faptul că nu interacţionează cu lumina sau cu „materia ordinară” sau pentru că interacţionează foarte slab şi extrem de rar.

Până în prezent, singurele date cu privire la materia întunecată provin din interacţiuni pe care aceasta le-ar avea cu forţa gravitaţională şi modul în care aceste interacţiuni ar influenţa lumina şi materia ordinară (vizibilă).

Faptul că materia întunecată pare să interacţioneze foarte slab sau deloc cu lumina înseamnă că această formă de materie nu poate fi compusă din particulele din care sunt compuşi atomii – electroni, protoni şi neutroni – particule care interacţionează puternic cu lumina.

Din acest motiv, fizicienii au început să caute potenţiale particule de materie întunecată dincolo de Modelul Standard din Fizica Particulelor, cadrul ştiinţific care explică tot ce ştim despre particule şi forţe.

În prezent, particula „suspect de serviciu” în căutarea materiei întunecate este axionul, însă deocamdată nici existenţa acestei particule nu a putut fi confirmată prin observaţii directe.

„Axionii sunt particule instabile, ceea ce înseamnă că se pot transforma sau se descompun în alte particule. Acest lucru este foarte similar cu ce se întâmplă cu neutronii, care se descompun în protoni la fiecare aproximativ 15 minute dacă nu sunt prinşi în interiorul nucleului unui atom”, a declarat pentru Space.com Christopher Dessert, cercetător la Centrul pentru Astrofizică Computaţională.

„Axionii se descompun în doi fotoni, iar fiecare dintre aceşti fotoni are o energie egală cu jumătate din masa axionului, conform relaţiei dintre energie şi materie descrisă de Einstein, E=mc2”, a adăugat Dessert.

El a explicat că dacă masa unui axion este de aproximativ 1 electronvolt (eV)/c2 (unde „c” este viteza luminii), atunci aceşti fotoni emişi se vor afla în intervalul de lungimi de undă specifice pentru infraroşu, iar JWST ar putea să-i detecteze. Dar, dacă ar fi atât de simplu, atunci de ce alte telescoape care operează în spectrul infraroşu nu au putut detecta descompunerea axionilor?

„Chiar dacă axionii se descompun, dacă ei formează materia întunecată, atunci existenţa lor trebuie să fie mult mai îndelungată decât vârsta Universului pentru că ştim că materia întunecată exista în primele stadii ale Universului şi ştim că există încă şi în prezent. Aşa că suntem în căutarea unui proces care se produce foarte rar. Dar dacă axionii compun materia întunecată, atunci există 10 la puterea 77 (10 urmat de 76 de zero) de axioni doar în Calea Lactee, aşa că un astfel de proces foarte rar tot se produce cu o frecvenţă mare”, a mai susţinut el.

Elisa Todarello, astrofizician la Universitatea din Nottingham, în Anglia, a explicat de ce JWST este instrumentul potrivit pentru a căuta străfulgerările de lumină infraroşie produse din eventuala descompunere a axionilor.

„JWST poate vedea obiecte cu luminozitate extrem de slabă şi poate distinge cu mare acurateţe diferite frecvenţe ale luminii infraroşii pentru că are o rezoluţie spectrală foarte ridicată. Acestea sunt caracteristici tehnice dezirabile pentru ca un instrument să poată detecta radiaţia electromagnetică produsă de descompunerea unei particule de materie întunecată”, a susţinut Todarello.

Elisa Todarello a mai explicat că, dacă descompunerea unui axion este concentrată pe o frecvenţă specifică, egală cu aproximativ jumătate din masa axionului, atunci ar genera o „linie spectrală” îngustă, ce ar permite diferenţierea ei de lumina provenită de la surse care emit pe un spectru larg de frecvenţe.

„Ar fi mult mai dificil să o diferenţiem de liniile de spectru de altă origine – spre exemplu provenite de la tranziţiile atomice. Dacă masa axionilor se întâmplă să fie de aşa natură încât linia spectrală rezultată după descompunerea unui axion să coincidă cu cea a unei tranziţii atomice, atunci va fi foarte greu să diferenţiem între cele două”, a mai susţinut Elisa Todarello.

Forma liniei spectrale generate de descompunerea a axionilor ar putea să le ofere oamenilo de ştiinţă informaţii importante cu privire la distribuţia materiei întunecate în galaxia noastră.

Dessert şi Pinetti au formulat şi ipoteze cu privire la locul unde ar trebui căutată materia întunecată. „La început nu am ştiu ce ţinte ar trebui să alegem pentru a obţine mai uşor probe ale descompunerii axionilor. În activitate noastră am preconizat că ar trebui să căutăm semnele descompunerii axionilor în haloul de materie întunecată din jurul Căii Lactee şi în halourile de materie întunecată din jurul galaxiilor pitice (…) Credem că axionii din Calea Lactee sunt mai uşor de detectat pentru că JWST se poate concentra mai mult asupra acestora”, a susţinut Christopher Dessert, adăugând că datele obţinute astfel ar putea fi apoi verificate prin comparaţie cu datele obţinute din observarea descompunerii axionilor dintr-o galaxie pitică, tot prin intermediul aceluiaşi telescop spaţial.

Pinetti a mai explicat că, în cercetările în care a fost implicată, este căutat un semnal al materiei întunecate în aşa-numitele „câmpuri goale de cer”. Aceste câmpuri goale de cer sunt observaţii în afara ţintei folosite de astronomi pentru a elimina „zgomotul” de fundal din datele lor şi a-şi calibra instrumentele.

„Pentru astronomii care folosesc JWST, aceste observaţii în câmpuri de cer goale nu sunt extraordinar de interesante. Dar aici, am descoperit o modalitate cu totul nouă de a le folosi – absenţa surselor astronomice strălucitoare le face deosebit de folositoare pentru căutarea materiei întunecate”, a precizat Pinetti.

Chiar şi dacă JWST nu va identifica semnalul descompunerii axionilor, acest lucru nu va infirma complet ipoteza cu privire la aceste particule ipotetice care ar constitui materia întunecată. Acest lucru se poate întâmpla pentru că observaţiile prin JWST se concentrează asupra particulelor cu mase între 0.1 eV şi 4 eV. Eşecul de a detecta ceva prin JWST ar putea însemna că particulele care formează materia întunecată se află dincolo de acest interval de masă.

Ultimul studiu cu privire la căutarea materiei întunecate semnat de Elena Pinetti şi de Christopher Dessert a fost publicat la 18 februarie în Physical Review Letters.