A fizika történetének legizgalmasabb pillanatai azok, amikor valami váratlan, az addigi ismeretekkel összeegyeztethetetlen jelenséget fedeznek fel. Ezek a jelenségek időnként új fizika vagy a fizika új területének kidolgozásához vezethetnek (ilyen volt Newton rendszere a korábban elfogadotthoz képest vagy a relativitáselmélet és a kvantummechanika stb. is). Napjaink néhány, egyelőre nem magyarázható jelenségéért a különleges sötét anyag és a sötét energia lehet felelős.

Fritz Zwicky svájci csillagász 1933-ban a Coma galaxishalmaz szélén lévő galaxisoknak a halmaz többi tagjához viszonyított sebességéből azok tömegére következtetett. Az így kapott tömegérték azonban jóval nagyobbnak bizonyult annál, melyet a galaxisok fényességéből lehetett kiszámítani. A műszerekkel érzékelhető anyag gravitációja nem lett volna elég, hogy a galaxisok tartósan halmazokba tömörüljenek. Adódott a feltételezés: a halmazt egyfajta nem látható („láthatatlan”) tömeg tölti ki, amely hamarosan a sötét anyag nevet kapta.

Az azóta eltelt évtizedekben a sötét anyagról (az egyes galaxisok forgásának vizsgálatából) kiderült, hogy nem csak a galaxishalmazokat, hanem magukat a galaxisokat és a galaxisokat körülvevő térrészt (az ún. halót) is kitöltik.

A csillagászok a kilencvenes évek végén a világegyetem tágulásával kapcsolatban váratlan, meglepő jelenségre bukkantak: az univerzum egyre gyorsabb ütemben tágul. A felfedezést azóta több különböző mérés is megerősítette. A jelenség okát sötét energiának nevezték el. A sötét energia mibenlétéről azóta sem sikerült többet megtudni. Annyit mindenesetre sejtünk, hogy a világegyetemet az általunk ismert és vizsgálható, látható anyag mindössze 4 százalékban alkotja, míg a sötét anyag részesedése 22 százalékra, a sötét energiáé pedig 74 százalékra tehető.

A sötét energia kutatása gyerekcipőben jár még, a sötét anyagra vonatkozóan viszont az elmúlt években egyre több elmélet látott napvilágot. A sötét anyag egy részét talán fekete lyukak, neutrínók és (a még kísérletileg nem kimutatott) gravitációs hullámok alkotják, ám ezek lehetséges össztömege jóval kisebb a sötét anyag számított tömegénél. Így a részecskefizikusok egzotikus, ma még ismeretlen részecskék létezését tételezik fel.

Ma már sokféle ilyen hipotetikus részecskével foglalkoznak elméletben a szakemberek, keresésük, létük bizonyítása a mai fizika egyik legizgalmasabb kutatási területe. A leginkább leírt ilyen részecskék a nagy tömegű, ám igen nehezen (mindeddig kimutathatatlanul) kölcsönható WIMP-ek (Weakly Interacting Massive Particles) lehetnek.

Ha a WIMP-ek léteznek, létezhetnek azok antirészecskéi is. Amikor ezek ütköznek egymással, azonnal energiává alakulnak, amely erős gamma-sugárzásként nyilvánulhat meg. A kutatók a világegyetemből érkező gamma-sugárzásból épp a WIMP-ek jelenlétére próbálnak következtetni. Ám hiába folyik sok helyen a kutatás, hiába vetették be a mérésekbe a szakemberek a gamma-tartományban vizsgálódó GLAST űrtávcsövet, mindeddig nem bukkantak a WIMP-ek nyomára.

Ugyanakkor sorra merülnek fel a sötét anyag kimutatásának újabb lehetőségei. Arnaud de Lavallaz és Malcolm Fairbairn (King’s College, London) szerint a sötét anyag részecskéinek nincsenek antirészecskéi, így nem is alakulnak ütközéskor energiává. A két részecskefizikus szerint ezért képesek viszonylag kis térfogatban felhalmozódni. A sötét anyag ilyen sűrű halmazára szerintük pl. az egyik legsűrűbb csillagok, a neutroncsillagok belsejében bukkanhatunk. A két kutató úgy gondolja, hogy a Tejútrendszer magja közelében található neutroncsillagok belsejében a sötét anyag annyira felhalmozódhat, hogy fekete lyukat hozhat létre, ezt az átalakulást pedig a neutroncsillag sem élné túl.

Ha az elgondolás helyesnek bizonyul, a Tejútrendszer központjának irányából a neutroncsillagok ezen összeomlásait a gamma-sugarak tartományában észlelhetjük a Földről is. Egy ilyen, még nem látott jelenség létezésének bizonyítása a sötét anyag utáni kutatás egy új eszközét jelenthetné. Ám napjainkban még az elmélet kiindulópontjául szolgáló WIMP-részecskék létére sincs bizonyíték.

Abban mindenki egyetért, hogy a sötét anyag és a sötét energia keresése, kutatása még évtizedekig fejtörést fog okozni a részecskefi zikusok és a csillagászok számára. 1933-ban Zwicky ugyanis valami olyanra bukkant, ami váratlan, nehezen magyarázható. Sok fizikus ezért abban bízik, hogy a „sötétségek” mibenléte utáni „nyomozás” hasonló hatással lehet a világegyetem működésével kapcsolatos eddigi elgondolásainkra, mint amit Einstein relativitáselmélete jelentett a XX. század első évtizedeiben.

Neutroncsillag– a sötét anyag tárolója