Jestliže se s dnešními obecně uznávanými poznatky z oblasti kosmologie pokusíme vysvětlit povahu vesmíru, neobejdeme se bez pojmů, jako jsou temná hmota a temná energie. Přesvědčivý důkaz o jejich existenci však zatím nemáme. A co když padne teorie, která na nich staví?
Reklama
Termín „temná“ odpovídá anglickému „dark“, ale anglosaská literatura používá také výraz „hidden“, tedy „skrytá“, což daleko lépe vystihuje podstatu „temné hmoty“. Existují ovšem i nové teorie, které fungování vesmíru vysvětlují, aniž by se musely opírat o cokoli skrytého. Odpovídají lépe principu logické úspornosti, který je známý jako Occamova břitva. Tento princip, pojmenovaný podle anglického logika Williama z Ockhamu (žil v létech 1287 až 1347) nám v podstatě říká, že pokud pro nějaký jev existuje vícero vysvětlení, je lépe upřednostňovat to nejméně komplikované.
Pomohou trpaslíci
Často se uvádí pro Occamovu břitvu příklad, využívající Newtonův gravitační zákon. V alternativní podobě zákona je gravitace jen částí oné síly, která k sobě přitahuje hmotné předměty, další přidávají neviditelní trpaslíci, kteří dané subjekty nenápadně postrkují. Newtonův gravitační zákon je ale sám o sobě dostatečně jednoduchý, takže se podle zásad Occamovy břitvy bez trpaslíků obejde.
Vesmír se zřejmě z velké části skládá z hmoty, která nám zůstává skrytá.
Tento příklad ovšem představuje jakousi paralelu s tím, jak byla předložena teorie skryté hmoty. Švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky pozoroval ve třicátých letech minulého století objekty v kupě galaxií v souhvězdí Vlasy Bereniky. Zjistil, že zhruba u osmi set galaxií z kupy Abell 1656 nelze jejich pohyb vysvětlit jinak, než že hmotnost celé soustavy je řádově daleko vyšší než objekty, které mohl pozorovat.
V roce 1933 o tom uveřejnil článek, ve kterém chybějící hmotu označil německým termínem „die dunkle Materie“, tedy temná hmota. Výkonnější a modernější přístroje, které od té doby astronomové využívají, zpřesnily měření pohybu různých objektů ve vesmíru, a to spolu s lepší výpočetní technikou přineslo další podklady k domněnce, že se zřejmě vesmír z velké části skládá z hmoty, která nám zůstává skrytá.
Nevidíme ani viditelnou
Vysvětlit si vesmír neviditelnou hmotou bohužel nestačí. Vesmír se totiž rozpíná a podle pozorování se toto rozpínání neustále zrychluje. V roce 2011 byla za tento objev udělena Nobelova cena. Jestliže tuto skutečnost nemůžeme zpochybnit, měli bychom také zjistit, proč tomu tak je. Už jen proto, že podle teorie je současný vesmír tvořen z více než sedmdesáti procent skrytou energií, z třiadvaceti skrytou hmotou a zbytek pak hmotou, které říkáme baryonová, a je to ta, na kterou si můžeme vlastně „sáhnout“, vidíme ji.
Temná hmota, temná energie a temný foton. Jejich výzkum by měl ukázat, jak funguje vesmír
Baryon je částice, která se skládá ze tří kvarků, a je to vlastně buď proton, nebo neutron. I zde je ovšem malý háček. Řekli jsme si, že baryonová hmota je viditelná, chyba je ovšem v tom, že ve vesmíru vidíme jen její část. Astronomové si myslí, že zbytek této „normální“ hmoty tvoří jemné struktury v podobě jakési trojrozměrné rybářské sítě s velkými oky, u nichž se na hypotetických uzlících shromažďuje větší část hmoty, a jejíž jednotlivá vlákna jsou pod rozlišovací schopnosti stávajících přístrojů.
A když jsme u tohoto prostého tvrzení „nevidíme to, ale musí to tam být“, tak to platí i o skryté energii. Nevíme, jak je v prostoru rozložená, jen předpokládáme, že roste, ale aby byly zachovány základní fyzikální zákony, tak jí přibývá na úkor energie gravitační, která vlivem rozpínání vesmíru klesá.
Past na temné fotony
U skryté hmoty alespoň víme, co to není – není to hmota baryonová. Se skrytou energií je to ještě horší. Tento stav ovšem není únosný. Na myšlenku, zda tato hmota i energie nějak nesouvisejí s pátou, dosud neznámou silou, se nyní soustředí experiment PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment). Současná fyzika zná zatím čtyři druhy základních sil – gravitační, elektromagnetickou, silnou (silná interakce udržuje při sobě například protony a neutrony v jádrech atomů) a slabou (i ta působí mezi částicemi hmoty).
Když se v roce 1917 pokusil Albert Einstein aplikovat svou teorii relativity na matematický model vesmíru, zjistil, že mu to nějak nevychází.
Experiment PADME, který by v průběhu několika týdnů měl odstartovat v italských laboratořích Laboratori Nazionali di Frascati, bude hledat doklad o existenci síly páté, kterou vědci prozatím nazývají „temný elektromagnetismus“. Hypotéza, na níž je experiment založen, spočívá v tom, že skrytá hmota je citlivá právě na dosud neznámý typ síly, takže v laboratořích nedaleko Říma se budou snažit ulovit temné fotony, které by měly být prostředkem temného elektromagnetismu.
„Temný foton je částice podobná běžnému fotonu, ale na rozdíl od něj má alespoň malou hmotnost,“ popisuje Paolo Valente, mluvčí experimentu a výzkumný pracovník Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, která laboratoře u Říma provozuje. Princip experimentu spočívá v tom, že v laboratořích budou výzkumníci ostřelovat diamantovou destičku antihmotou, konkrétně svazkem pozitronů. Při reakci s hmotou by měly vznikat klasické fotony a vědci doufají, že se snad mezi nimi podaří objevit i hledaný, tedy temný foton. Pak bude důležité se zaměřit na jeho vlastnosti, jež by mohly napovědět něco o skryté hmotě a energii.
A není to celé jinak?
Jestliže se Newtonův gravitační zákon obejde bez trpaslíků, kteří postrkují tělesa k sobě, může se náš vesmír či spíše astrofyzika obejít bez skryté hmoty a energie? Je to docela dobře možné. Data vedoucí k teorii, že se vesmír stále rychleji rozpíná, byla získána pozorováním supernov typu Ia, které mají pro astronomy tu výhodu, že jsou prakticky ve všech galaxiích a jejich profily jasnosti jsou velice podobné, takže se jich využívá jako jakéhosi standardu pro měření velkých vzdáleností.
Novozélandský astrofyzik David Wiltshire z University of Canterbury a jeho kolegové zveřejnili v časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society studii, která data z pozorování supernov typu Ia přehodnocuje a tvrdí, že jejich model vesmíru se bez skryté energie obejde. Když se totiž v roce 1917 pokusil Albert Einstein aplikovat svou teorii relativity na matematický model vesmíru, zjistil, že mu to nějak nevychází.
Co když se zjistí, že se vesmír nerozpíná? Bude zmíněná Nobelova cena odebrána?
Předpokládal, že je vesmír statický, proto do rovnic přidal takzvanou kosmologickou konstantu, která vyrovnávala působení gravitace. To mu ovšem vyvrátil ruský matematik Alexandr Fridman a Einstein pak o statickém modelu vesmíru hovořil jako o svém největším omylu. Ale ani Fridman neměl pravdu – jeho matematický model předpokládal, že je vesmír homogenní, což pochopitelně není. Přesto se Fridmanovým modelem „vezou“ i ty teorie, které počítají právě se skrytou hmotou a energií.
David Wiltshire předpokládá – stejně jako desítky dalších astrofyziků – že je nutné přepracovat Fridmanův model a zároveň zpřesnit data z pozorování. Co když se zjistí, že se vesmír nerozpíná? Bude zmíněná Nobelova cena odebrána? S řešením možná pomůže až Extrémně velký dalekohled (ELT), který se začal budovat v Chile a měl by začít pracovat v roce 2024. Anebo se dříve podaří chytit temný foton?
foto: Shutterstock, zdroj: Cosmos Magazine
