Pátrání po temné stránce vesmíru: Zatím neúspěšný lov!

Einsteinova teorie relativity otevřela dveře do širokého vesmíru, teorie kvantová jej zabydlila mikročásticemi, které v něm od počátku věků víří. Pozorování astronomů jsou však nemilosrdná: krásné budovy obou teorií bude třeba strhnout.

Vesmír je totiž plný něčeho, o čem sice víme, že je, ale to je tak všechno. Jak jsme na tom s pochopením pro temné stránky vesmíru dnes?

Podle posledních údajů sondy Planck zkoumající strukturu ozvěny Velkého třesku, tzv. pozaďové záření, připadá na viditelnou hmotu pouze 4,9 % veškeré substance vesmíru.

Zbytek se dělí mezi dvě další, o jejichž podstatě dnes vědci nedokáží říci praktiky nic určitého. Jde o temnou hmotu (26,8 %) a temnou energii (68,3 %).

Podstata temné energie je zatím neznámá. Bylo navrženo několik fyzikálních interpretací temné energie, některá vysvětlení pro pozorování zrychleného rozpínání se dokonce pokoušejí nutnost zavedení temné energie úplně vyloučit.

To, že něco nemůžeme vidět, není ve vědě žádná novinka. Vidět jde totiž skutečně prakticky máloco.

V první řadě to musí být dostatečně velké (nebo alespoň přístupné mikroskopům či dalekohledům), v druhé řadě to musí nějak „spolupracovat“ s viditelnou částí elektromagnetického spektra.

Oběma těmto požadavkům současně však pochopitelně nevyhoví zdaleka každý fyzikální objekt. Řada z nich se „zjeví“ až poté, co k jejich pozorování využijeme jinou část elektromagnetického spektra, například infračervené záření nebo rádiové vlny.

Na temnou hmotu ani na temnou energii však podle všeho žádná z těchto „detektivních“ metod, které astronomové využívají, neplatí. Jak je tedy možné, že se obě temné stránky vůbec prozradily?

Elektromagnetismus naštěstí není jediná fyzikální síla v přírodě: zbývají ještě tři další. Silnou a slabou jadernou sílu můžeme nechat stranou, neboť mají velmi malý dosah. Poslední, která zbývá, je tedy gravitace.

Právě ta dokázala přítomnost temné hmoty vyzradit. K něčemu takovému je všem třeba velmi přesných pozorování a také velké vědecké odvahy.

Tu jistě měl Švýcar, jehož matka byla Češka, naturalizovaný ve Spojených státech Fritz Zwicky (1898–1974).

Kromě toho mu však také nechyběla poměrně nepříjemná povaha, díky níž s ním nejenže ostatní astronomové nechtěli spolupracovat, ale ani jej nebrali příliš vážně. V tomto případě však udělali chybu.

Při pozorování pohybů galaxií ve shluku Vlasy Bereniky v roce 1933 totiž Zwicky zjistil řadu nesrovnalostí. Galaxie se pohybovaly o dost jinak, než jak by předpokládal einsteinovský model.

Zwicky navrhl vysvětlit tyto nepravidelnosti přítomností doposud neznámého typu substance, který se projevuje pouze svým gravitačním působením.

Temná energie měla představovat něco přes zásadní podíl balíku veškeré hmoty a energie vesmíru.

Postupně se však začaly množit hlasy, že by na Zwickyho pozorování mohlo něco být.

Prakticky ve stejné době (dokonce o několik měsíců dříve než Zwicky) seznámí odbornou veřejnost se svými pozorováními i respektovaný nizozemský astronom Jan Hendrik Oort (1900–1992).

Podobné nesrovnalosti jako Zwicky pozoroval Oort na podstatně menších škálách, v naší vlastní galaxii, Mléčné dráze.

Trvalo však dlouho, než začali astronomové brát teorii existence temné hmoty jinak, než jako bizarní teorii. Tím, kdo definitivně vychýlil mínění odborné komunity ve prospěch nové teorie, byla žena.

Šlo o americkou astronomku Veru Rubinovou (1928 – 2016). Snesla tak pádné důkazy o anomáliích v rotaci galaxie Andromedy, že už nešlo příliš pochybovat. Tajemná „temná hmota“ je podle všeho skutečná.

V momentě, kdy z tábora astronomů zaznělo sborové pochvalné zamručení na práci Rubinové, začaly perné chvíle experimentálním fyzikům. V jejich rukou totiž zbyl Černý Petr důkazu, že temná hmota je skutečnou fyzikální substancí.

Jenže jak takového ducha, který prochází zdí, nalézt? Možností je hned několik, v zásadě je možné je rozdělit na pozorování v pozemských laboratořích a v hlubinách vesmíru.

Vesmírná pozorování využívají vylepšení principu, s jehož pomocí byla temná hmota poprvé objevena. Nerovnoměrností v gravitačním působení. Díky přesnému porovnávání pohybů ve vesmíru je dnes dokonce již možné vytvářet jakousi „kartografii temné hmoty“.

„Je fascinující, že můžeme temnou hmotu vidět skrze „pokroucení“ časoprostoru.

Poznání, jakým způsobem je temná hmota ve vesmíru distribuována, je důležitým krokem k rozpoznání její povahy a následně toho, jak – a zda vůbec – zapadá do současné struktury fyzikálního poznání,“ popisuje své nadšení jeden ze spoluautorů jedné z map profesor Ledovic Van Waeberke z University of British Columbia v kanadském Vancouveru.

Velkým kandidátem na zdroj temné energie byla energie vakua. Problémem je, že její hodnota, naměřená při mikroskopických experimentech i vypočtená z kvantové teorie pole, je o 120 řádů větší, než je potřeba pro vysvětlení projevů temné energie naměřených z velkoškálových experimentů.

O gravitaci všichni víme, že věci přitahuje k sobě. Astronomové však dokázali o vesmíru zjistit ještě jednu důležitou věc. Totiž to, že se proti všem předpokladům rozpíná.

A to dokonce tak, že se toto rozpínání stále zrychluje, jak bylo objeveno v roce 1998. Jak to víme? To kupodivu není příliš složité zjistit. Může za to zčervenání světla ze vzdálených supernov. Proč světlo zčervená?

Proto, že se mezi námi a vzdálenými galaxiemi díky působení zatím neznámé substance zvětšuje prostor. Toto neustálé roztahování vede k úbytku energie záření, a tedy k protažení jeho vlnové délky. To se u světla projeví právě tak, že zčervená. Tento tzv.

kosmologický rudý posuv tedy prozradil, že vzdálená supernovy od nás prchají čím dál rychleji.

Kromě toho lze existenci temné energie odvodit ještě ze způsobu rozmístění běžné hmoty ve vesmíru a také z toho, že vesmír je podle astronomů výrazně „plošší“, než by vyplývalo z předpokladů obecné teorie relativity.

Temná energie jej zkrátka stále „přifukuje“.

Přestože temná energie s časem roste, aby se rozpor v modelu a pozorování vysvětlil, neznamená to, že je porušen zákon zachování energie, protože gravitační energie rozpínáním klesá.

Kde se však síla, která neustále odtahuje jednotlivé části vesmíru od sebe, vlastně bere? Podle pozorování pozaďového záření, které podala sonda Planck, by mělo jít o celých 68,3 % vesmíru, což rozhodně není málo.

Co o ní tedy dnes víme s určitostí? V první řadě to, že je ve vesmíru pravděpodobně rozmístěna rovnoměrně, není příliš hustá a nereaguje s žádnou jinou silou, než je gravitace.

Vědci si pochopitelně o této velmi mocné a všudypřítomné síle něco myslí. V současnosti jsou nejoblíbenější v podstatě dva modely. První říká, že jde o energii vakua, jež je v nějakém smyslu konstantní. Tento model má však zatím jednu nevýhodou. Všechny výsledky měření totiž dávají energii, která je příliš vysoká.

Druhým z populárních modelů je model tzv. kvintesence, tedy nové síly zatím zcela neznámé povahy, která by stála po boku čtyř doposud známých. V porovnání s předchozím modelem má nepopiratelnou výhodu.

Působení této síly totiž nemusí být nutně v celém vesmíru stále stejné (konstantní). Vysvětlil by proto, proč se rozpínání stále zrychluje. A nevýhoda? Pátrání po této tajemné páté substanci je zatím zcela bezvýsledné…