Z čoho pozostáva vesmír

heic0813b

Z čoho pozostáva vesmír

Hmota, ktorú vidíme, tvorí iba 5% celkovej energie kozmu. Za zvyšok „zodpovedá“ záhadná tmavá hmota a tmavá energia. Ich skutočná identita je napriek sugestívnym názvom neznáma. V prvom prípade nemusí ísť o hmotu a v tom druhom nemusí ísť o energiu.

NGC7331_peris2500

Keď sa podarilo zistiť, že hmota medzihviezdneho prachu a plynu deväťnásobne prevyšuje všetku hmotu všetkých planét a hviezd, nik netušil, aký šok na astrofyzikov ešte čaká. Začiatkom 80. rokov minulého storočia sa totiž zistilo, že niekoľkokrát viac hmoty – ako jestvuje v galaxiách a kopách galaxií v podobe hviezd, planét, plynu a prachu – sa nachádza mimo nich. Netvoria ju atómy a nevyžaruje ani neodráža elektromagnetické žiarenie, a tak sa jej hovorí „tmavá hmota“. Ako vieme, že vôbec existuje? Prejavuje sa svojou tiažou a ovplyvňuje pohyby hviezd, ba celých galaxií, ktoré sa správajú, akoby mali oveľa viac hmoty, než vidíme.

Trou-noir

Čo (nie) je tmavá hmota

S pojmom tmavá hmota sa narába, akoby sme s istotou vedeli, že ide o hmotu. To v skutočnosti nie je pravda. Úprimný astronóm by povedal, že tmavou hmotou sa označuje „neviditeľný“ zdroj prebytočnej gravitácie, ktorého podstatu nepoznáme. Pragmatický astronóm by však dodal, že pokiaľ vieme, gravitácia je vlastnosť hmoty. Zdrojom záhadnej tiaže preto s najväčšou pravdepodobnosťou bude nejaký čudesný typ hmoty. Aký? To zatiaľ nevieme.

Hoci netušíme, čím je tmavá hmota naozaj, sme si vcelku istí, čím nie je. Nejde o planéty alebo hviezdy, ktoré vidíme. Zároveň nemôže ísť o tmavé mraky normálnej hmoty, teda hmoty, tvorenej časticami zvanými baryóny (patria sem napríklad neutróny a protóny). Takéto mračná totiž astronómovia dokážu detekovať vďaka tomu, že absorbujú radiáciu, ktorá cez ne prechádza. „Normálna“ hmota z baryónov by mohla tvoriť tmavú hmotu jedine vtedy, ak by bola extrémne hustá. Táto možnosť sa však v komunite astrofyzikov veľkej podpore neteší.

Taktiež vieme, že tmavá hmota nebude tvorená ani antihmotou. Antihmota by sa pri kontakte s normálnou hmotou anihilovala za vyžiarenia charakteristického záblesku gama žiarenia. Vylúčiť možno aj gigantické čierne diery. Tieto objekty ohýbajú svetlo, prechádzajúce okolo nich zo vzdialenejších objektov, takže ich vieme detekovať. Navyše, ani ich nepozorujeme v dostatočnom množstve na to, aby vysvetlili obrovské množstvo tmavej hmoty.

Two large galaxy clusters about 4 billion light years from Earth.

Vymyslené častice

Podľa niektorých fyzikov je možné, že tmavá hmota neexistuje a rozpory medzi pozorovaným a predpokladaným gravitačným pôsobením vesmírnych objektov vznikajú dôsledkom našich chybných predstáv o gravitácii. Väčšina ale predpokladá, že tmavá hmota je reálna, ibaže ju netvorí žiadna normálna, teda baryonická hmota, ale nejaké iné, exotické častice, azda tzv. axióny, alebo slabo interagujúce masívne častice, známe pod anglickou skratkou WIMP.

V prvom prípade ide o hypotetické hmotné častice, ktoré pôvodne neboli navrhnuté na vyriešenie problému tmavej hmoty, ale hodia sa preň. V druhom prípade ide o častice navrhnuté len kvôli nemu. Existuje aj množstvo ďalších hypotetických častíc, ktoré astrofyzici navrhli na vysvetlenie záhady „prebytočnej“ gravitácie. Fakt, že sa stále obracajú na predpokladané, ale neobjavené častice, však znamená, že sme sa tridsať rokov prakticky nepohli z miesta. Zmena nastala až koncom tohto roka. Možno.

photon

Slnko ako zdroj

Výskumníci z Leicesterskej univerzity ohlásili, že sa im zrejme podarilo pozorovať tmavú hmotu. Jej zdroj? Slnko. Pri analýze teleskopových dát, ktoré sa podarilo zhromaždiť dvanásťročným sledovaním Slnka, odhalili v prúde röntgenových lúčov variácie intenzity, aké presne zodpovedajú predpokladanému správaniu axiónov v kontakte so zemským magnetickým poľom. „Narazili sme na neobvyklé javy, ktoré nemožno vysvetliť žiadnym konvenčným spôsobom, axióny to ale dokážu,“ vyhlásil astronóm Andy Read, spoluautor takmer 70-stranovej vedeckej štúdie, ktorá objav prezentuje.

Hoci prakticky všetci astronómovia, ktorí sa k objavu vyjadrili, považujú zistenia za mimoriadne zaujímavé, viacerí volajú po obozretnosti. Podľa Igora Irastorzu z fyzikálneho laboratória CERN by povaha axiónu, ktorý sa potenciálne podarilo zaznamenať, protirečila niektorým astrofyzikálnym pozorovaniam: „Ak ide o axióny, tak potom vlastnosti tejto častice musia byť odlišné, než sme desaťročia predpokladali.“ Aj samotní autori upozorňujú, že na otváranie šampanského je zatiaľ priskoro. Nezávislé overovanie výsledkov podľa nich môže trvať niekoľko rokov. „Zatiaľ je to len hypotéza a väčšina hypotéz sa napokon nepotvrdí,“ varuje Read.

maxresdefault

Aj exotická hmota

Približne v rovnakom čase teoretickí fyzici Glenn Starkman a David Jacobs navrhli, že tmavá hmota vôbec nemusí pozostávať z exotických častíc ako axióny alebo WIMP-y. Namiesto toho pozostáva z objektov s hmotnosťou od malých kamienkov až po ohromné asteroidy a s hustotou na úrovni atómového jadra (na porovnanie: Zem by takúto hustotu dosiahla stlačením na veľkosť jablka). Ide o mimoriadny zvrat v uvažovaní o tmavej hmote, pretože podľa Starkmana a Jacobsa by tieto objekty mohli pozostávať z častíc tzv. štandardného modelu. Podľa neho všetka hmota pozostáva z kombinácie šiestich typov kvarkov a šiestich typov leptónov. Elektrón je napríklad typom nabitého leptónu, pričom z kvarkov sa skladajú napríklad protóny a neutróny, ktoré spolu tvoria atómové jadro (a zároveň patria do podskupiny masívnych častíc, tzv. baryónov).

„Vedecká komunita sa koncom 80. rokov otočila chrbtom ku predstave, že tmavá hmota môže pozostávať z normálnych častíc,“ hovorí Starkman. „My sa ale pýtame, či to bol skutočne správny krok.“ Vylúčenie väčšiny bežnej hmoty zo zoznamu potenciálnych kandidátov bolo podľa neho správne, no na hmotu, ktorá nie je úplne bežná, no ani úplne exotická, sa podľa neho neprávom zabudlo. Malo by ísť napríklad o príbuzných neutrónových hviezd alebo príbuzných veľkých atómových jadier. „Hovoríme o príbuzných, pretože sa pravdepodobne vyznačujú výraznou prímesou podivných kvarkov, takých, aké bežne vytvárame v urýchľovačoch a obvykle majú len krátku životnosť,“ hovorí Starkman.

Colorful background Podivné zloženie

Tzv. podivné kvarky, známe aj ako „kvarky s“, sú za normálnych okolností mimoriadne nestabilné. No to sú aj neutróny. A keď sa neutróny viažu s protónmi, ako napríklad vo vnútri atómových jadier, nerozpadajú sa. „To otvára možnosť, že stabilná podivná jadrová hmota vznikla v počiatkoch nášho vesmíru a že tmavá hmota nie je nič iné ako kusy tejto podivnej jadrovej hmoty, alebo iných viazaných stavov kvarkov, alebo baryónov, ktoré sú taktiež tvorené kvarkmi,“ vysvetľuje Starkman.

Podľa výpočtov Starkmana a Jacobsa vznikla tmavá hmota z bežných a podivných kvarkov, alebo baryónov predtým, ako sa tieto začali rozpadať, a to pri teplotách nad 3,5 bilióna stupňov. To je porovnateľné s podmienkami v strede vybuchujúcej mimoriadne hmotnej hviezdy. Asi 90% percent z kvarkov skončilo v tmavej hmote, zvyšok sa viazal s protónmi a neutrónmi za vzniku atómov, ktoré tvoria viditeľný vesmír.

Keďže sa nám tmavú hmotu doposiaľ nepodarilo pozorovať, autori vyradili veľkostné parametre objektov, ktoré by sme pri jej novom predpokladanom zložení objavili. Vypočítali, že kusy tmavej hmoty sa vyznačujú hmotnosťou v rozmedzí 50 až 1017g a 1020 až1024 g. Ak by napríklad vážili menej ako 55 gramov, podarilo by sa ich odhaliť v detektore Skylab. Pri hmotnosti nad 1024 g by ohýbali svetlo, čo by sa taktiež podarilo pozorovať. A pokiaľ by vážili menej ako 1018 g (miliarda ton), ich prípadné kolízie so Zemou by kvôli drobným rozmerom po sebe nezanechali rozoznateľné stopy v geologickom zázname. Pri takejto veľkosti by síce kusy tmavej hmoty dokázali zachytiť špeciálne podpovrchové detektory, no aby k tomu došlo, museli by ich trafiť. A to je kvôli zriedkavosti zrážok veľmi málo pravdepodobné. Mimochodom, prípadné kolízie drobných, no mimoriadne hmotných kusov tmavej hmoty so Zemou by sme si voľným okom vôbec nevšimli. Vzájomné pôsobenie s normálnou hmotou by totiž „asteroidy“ z  tmavej hmoty nechalo úplne chladnými aj prípade zloženia, o akom uvažujú Starkman a Jacobs.

3d_space_33

Záhadné odpudzovanie

Začiatkom 90. rokov sme si konečným osudom vesmíru neboli istí. Vedeli sme, že ak sa v kozme nachádza dostatočná hustota hmoty, nasledovať bude jeho spätný kolaps. Predstavte si veľký tresk pustený pospiatky – všetko by sa vrátilo do jedného bodu. Ak sa v ňom ale nenachádza dostatok hmoty, rozpínanie kozmu sa nikdy neskončí.

Hoci sme nespozorovali žiadne náznaky spomaľovania expanzie vesmíru, väčšina astronómov sa prikláňala k názoru, že vesmír naplnený hmotou ako ten náš skôr či neskôr podľahne gravitačnej sile svojho obsahu. Potom prišiel rok 1998. Pozorovania vzdialených supernov Hubblovým vesmírnym ďalekohľadom ukázali, že pred miliardami rokov vesmír expandoval pomalšie. Rozpínanie nielenže nejaví žiadne znaky spomalenia, ono celkom preukázateľne zrýchľuje. A nik nevedel prečo. Provizórna odpoveď dostala označenie tmavá energia. Okrem jej antigravitačného efektu vieme o nej iba to, že zodpovedá za približne 68% celkovej energie vesmíru.

6a00c225226c208e1d00e398dc174a0005

Čudný prázdny priestor

Jedno vysvetlenie identity tmavej energie hovorí, že ide o vlastnosť priestoru. Už Einstein si uvedomil, že prázdny priestor nie je úplnou ničotou, ale má množstvo bizarných vlastností, z ktorých mnohé len začíname chápať. Napríklad, že nový priestor môže vznikať a že prázdny priestor môže obsahovať energiu (ako vyplýva zo všeobecnej teórie relativity). S expanziou vesmíru, teda vznikom nového priestoru, celková energia prázdneho priestoru rastie. Kým hustota hmoty klesá úmerne k rozpínaniu vesmíru tak, ako sa galaxie od seba vzďaľujú, hustota energie prázdneho priestoru zostáva stabilná.

Zdrojom energie prázdneho priestoru (označuje sa aj termínom kozmologická konštanta) sú virtuálne častice, vznikajúce takpovediac z ničoho. Napriek slovíčku „virtuálne“ v názve sú tieto častice viac ako iba hypotézou. Sú skutočné a majú pozorovateľné efekty, ktoré fyzici dokážu merať. Ibaže keď sa fyzici pokúšali z mikroskopických experimentov vypočítať celkovú energiu prázdneho priestoru, dostali číslo 10120-krát väčšie, než ukazujú veľkoškálové merania (celkovú energiu vesmíru fyzici skutočne zistili).

/block/WORK/MAP_HD/.IMAGESRC/MAPEVOLVEHD/H_MAPEVOLVEHD00850.tif

Tak predsa éter

Podľa niektorých fyzikov by tmavá energia mohla byť čímsi iným – akýmsi dynamickým poľom energie, ktoré vypĺňa priestor a má presne opačný vplyv na expanziu vesmíru, ako normálna hmota a energia. Toto pole nazvali kvintesencia podľa legendárneho piateho elementu antických filozofov, známeho tiež ako éter. Ten mal ešte podľa predstáv prírodovedcov 19. storočia vypĺňať zdanlivo prázdny priestor vesmíru tak, ako zdanlivo prázdny priestor nad povrchom Zeme vypĺňa vzduch. Kvintesencia by nemala byť nemenná, ale – na rozdiel od kozmologickej konštanty – premenlivá v čase aj priestore. Svoje odpudivé vlastnosti by mala napríklad získať len pred desiatimi miliardami rokov. Nuž, aj keby identitou tmavej energie bola skutočne kvintesencia, stále by sme nevedeli, čím toto pole vlastne je, ako reaguje a prečo vôbec existuje.

Poslednou možnosťou by mohol byť predpoklad, že v prípade tmavej energie nejde o žiadnu energiu a že všeobecná teória relativity je chybná. To by okrem problému expanzie vesmíru zasiahlo aj do problematiky vysvetlenia správania bežnej hmoty. Všeobecná teória relativity je teóriou gravitácie, takže by sme potrebovali nový teoretický rámec na opísanie a vysvetlenie pohybu vesmírnych telies. Všeobecná relativita to pritom robí mimoriadne spoľahlivo.

Ako v prípade tmavej hmoty, tak v prípade tmavej energie môžeme s istotou vyhlásiť jediné: potrebujeme dáta. Viac dát, lepšie dáta. Jedine vďaka nim sa ľudstvu azda konečne podarí rozlúsknuť záhadu, čo skutočne tvorí vesmír.

arp147_print4[1]

Tmavé hviezdy

* To, čo sme dosiaľ považovali za čierne diery, v skutočnosti môžu byť hviezdy z tmavej energie. Hmota padajúca za horizont udalostí (hranica, za ktorou gravitácii objektu nedokáže uniknúť ani svetlo) sa mení na tmavú energiu. Keďže tmavá energia má antigravitačné vlastnosti, v centre takéhoto objektu neexistuje singularita.

* Tmavá hmota možno vytvára celé neviditeľné galaxie. Ak áno, zrejme v nich nenájdete žiadne hviezdy, len tmavý plyn, pričom v mladosti nášho vesmíru predstavovali bežný jav. A zrejme existujú dodnes.

* Náznak ich existencie prinieslo pozorovanie čudesnej galaxie NGC 4254. Astronómovia všimli, že vyzerá, akoby sa v priebehu posledných sto miliónov rokov zrazila s inou galaxiou. Ibaže žiadnu v okolí nenašli.

* Podľa niektorých astronómov je taktiež možné, že tmavá galaxia obieha našu Mliečnu cestu. Iní (napríklad Martin Haehnel z Univerzity v Cambridge) si dokonca myslia, že Mliečna cesta vznikla spojením oveľa menšej, normálnej galaxie s tmavou galaxiou.

* V mladom vesmíre zrejme existovali akési „tmavé hviezdy“. Pozostávali z normálnej aj temnej hmoty. Anihilácia častíc tejto hmoty generovala teplo, no zároveň nedovolila hviezdam nadobudnúť kompaktnosť dnešných hviezd, bez ktorej sa nemohla spustiť jadrová fúzia. Podľa modelov dosahovali priemer asi 200.000-násobne väčší, ako Slnko a teplotu takú nízku, že by ich žiarenie bolo pre ľudské oči neviditeľné.

BigBang

Dušan Valent

foto SITA, NASA, ESA, archív