Počas jasnej noci vidno na oblohe krásny obraz tisícok hviezd. Pri pohľade cez teleskop je vidieť ešte viac bodiek a svetielok vzdialených galaxií. Ani to však nie je všetko. Keď na nebo namierime rádiový teleskop, uvidíme studený medzihviezdny prach a plyn, röntgenovým teleskopom zasa uvidíme horúci medzihviezdny materiál.
Ozajstné prekvapenie na nás však ešte len čaká. Vo vesmíre je toho oveľa viac. Veci, ktoré máme nádej takto vidieť, tvoria len zlomok vesmíru. Priestor je zaplnený dvoma ďalšími zložkami, ktoré pre nás zostávajú záhadou. Hovoríme im tmavá hmota a tmavá energia. Objavili sme ich len nedávno, a to vďaka tomu, že sa hmota a aj samotný vesmír správajú inak, ako by sme čakali. Ale inak o nich veľa nevieme. Napriek podobnému názvu sú tmavá hmota a tmavá energia dve veľmi odlišné veci. Tmavá hmota je podobná tej našej. Tiež sa skladá z častíc, ibaže nie z častíc štandardného modelu. Tmavá energia je niečo úplne iné, čo však, to práve nevieme.
Kozmická pavučina
Názov pre tento druh hmoty zaviedol v roku 1933 švajčiarsky astronóm Fritz Zwicky (1898 – 1974). Ešte pred ním si čudné správanie rôznych vesmírnych telies všimli rôzni vedci, ako prvý sa o ňom zmienil v roku 1884 írsky vedec William Thomson, známy aj pod svojím šľachtickým menom lord Kelvin of Largs (1824 – 1907). Hviezdy v galaxiách obiehajú podobne ako planéty okolo Slnka v našej slnečnej sústave. Tento pohyb riadi Keplerov zákon a obežná rýchlosť planéty so vzdialenosťou klesá.
Keď nakreslíme závislosť obežnej rýchlosti hviezd od vzdialenosti od stredu galaxie, dostaneme takzvanú rotačnú krivku. Tá by mala mať v dôsledku zmenšovania gravitačnej sily klesajúci charakter. Rotačné krivky galaxií však takmer bez výnimky vyzerajú inak. Definitívne to potvrdilo množstvo meraní trojice amerických astronómov – Very Rubinovej (1928 – 2016), Kenta Forda (1931) a Kena Freemana (1940). V roku 1980 publikovali článok, v ktorom ukázali, že rotačné krivky takmer všetkých galaxií neklesajú, ale aj pre veľké vzdialenosti zostávajú rovnaké. To sa dá vysvetliť prítomnosťou nepozorovanej hmoty v galaxiách, ktorá kompenzuje klesanie gravitačnej sily, ale pohyb hviezd inak neovplyvňuje. Merania ukázali, že v galaxiách sa musí nachádzať asi šesťkrát viac tmavej ako viditeľnej hmoty. Ako sa postupne zlepšovali astronomické metódy, prítomnosť neviditeľnej hmoty sa stále potvrdzovala a lepšie kvantifikovala. Teraz už vieme, že naša svietivá hmota tvorí iba 15 % časticového obsahu vesmíru. Tmavú hmotu máme zmapovanú veľmi dobre a vieme, že tvorí akúsi kozmickú pavučinu. Počas vývoja vesmíru sa usporiadala do obrovských vláken a svojou gravitáciou poskytuje kostru pre klasickú hmotu a galaxie z nej. Naviac, nielen galaxie, ale aj mnohé hviezdy sa nachádzajú v oblaku tmavej hmoty. No a medzi tmavou a štandardnou hmotou sme zatiaľ nijakú inú ako gravitačnú interakciu nepozorovali.
Bullet klaster
O vlastnostiach tmavej hmoty toho najviac vieme z pozorovania jednej konkrétnej udalosti. Takmer štyri miliardy svetelných rokov od nás došlo k zrážke dvoch kôp galaxií. Táto udalosť sa zvykne označovať podľa názvu jednej z nich – Bullet alebo Náboj. Kopa galaxií je, ako názov naznačuje, viac galaxií pokope. Ide o bežné galaxie, ktoré sú však gravitačne zviazané, tvoria jeden väčší celok a spoločne sa pohybujú. Tri hlavné zložky tejto zrážky, hviezdy v galaxiách, medzihviezdny plyn a tmavá hmota, sa pri zrážke správajú inak. Pre samotné hviezdy je zrážka trochu silné slovo. Na intergalaktických škálach sú hviezdy zanedbateľne malé a v podstate neexistuje nádej, aby do seba narazili. Galaxie sa spomalia, ale inak pokračujú ďalej na svojej ceste vesmírom. Pohyb medzihviezdneho plynu, ktorý tvorí väčšinu bežnej hmoty v útvare, je však významne ovplyvnený vzájomnými elektromagnetickými silami a výrazne za galaxiami zaostáva. Tmavá hmota sa správa podobne ako hviezdy v galaxiách. Jej polohu vieme zistiť z gravitačného pôsobenia na svetlo prichádzajúce spoza tejto zrážky, ide o tzv. efekt gravitačnej šošovky. Tmavú hmotu tak vidíme priamo v akcii. Nereaguje na prítomnosť ostatných dvoch zložiek kôp a ani na tmavú hmotu v druhej kope. To nám dáva informáciu o možných vlastnostiach častíc, z ktorých sa skladá.
Hľadanie istoty
Podobné informácie máme aj z experimentov, ktoré sa usilujú nájsť častice tmavej hmoty. Väčšina z nich hľadá známky prípadnej slabučkej interakcie tmavej hmoty s našou hmotou. Veľmi citlivé prístroje musia byť ukryté hlboko pod zemou, doteraz však nič nepozorovali. Podobne by mohli častice tmavej hmoty vznikať v urýchľovačoch, ako je napríklad LHC v CERN-e. Ani odtiaľ zatiaľ nijaké správy neprišli. Astronomické pozorovania a priame hľadanie tmavej hmoty nám teda, pri známej citlivosti prístrojov, poskytujú iba obmedzenia na vlastnosti tmavej hmoty, ale neprezrádzajú nič konkrétne. Všeobecne vedci predpokladajú, že tmavú hmotu tvoria niektoré doteraz neobjavené častice mimo štandardného modelu. O nich však tiež vieme iba to, aké vlastnosti nemôžu mať. Preto nám táto predstava veľa neprezrádza ani o tmavej hmote. V takejto neistote sa niektorí vedci usilujú efekty, ktoré pripisujeme pôsobeniu tmavej hmoty, vysvetliť inak. Naše priame skúsenosti s gravitáciou pochádzajú iba z našej slnečnej sústavy a v nej veľmi dobre funguje všeobecná teória relativity. Platnosť tejto teórie na oveľa väčších vzdialenostiach je však iba predpoklad, ktorý môže byť nesprávny. Je možné, že pre galaxie a ešte väčšie celky je gravitácia modifikovaná a pozorovaný pohyb hviezd by v tejto novej teórii nebol ničím zvláštny. Takýto prístup však len veľmi ťažko vysvetľuje správanie Bullet klastra, navyše, mnohé modifikácie gravitácie boli nedávno presvedčivo vyvrátené pozorovaním zrážky dvoch neutrónových hviezd. Vedci zistili, že gravitačné vlny sa v rozpore s predpoveďou mnohých modifikovaných teórií pohybujú rýchlosťou svetla.
Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky
FMFI UK v Bratislave
Foto NASA
