Student World

Ještě v první polovině letošního roku se zdálo, že řešení snad nejzapeklitějšího problému současné astrofyziky a kosmologie je na spadnutí. Začátkem září ale byly zveřejněny výsledky pozorování, které sice existenci takzvané „skryté hmoty“ nevyvrací, ale nemálo komplikuje.

Astrofyzikové se chytají za hlavu. Problém skryté hmoty (někdy též označované jako „temná hmota“ z angl. „dark matter“) se ukazuje být složitější, než se očekávalo. O skryté hmotě, jejíž existenci dosvědčovaly především výpočty a v poslední době i pozorování, byť značně nejasné a rozporuplné, již málokdo z astronomů a kosmologů pochyboval. Závěr zněl, že skrytá hmota a skrytá energie jsou „ingrediencemi“, které tvoří 96 % vesmíru. To je skutečnost, kterou sice v učebnicích fyziky nenajdete, avšak dnes by ji nikdo z astrofyziků nedokázal vyvrátit. Na námi studované atomy, tvořící veškerou pozemskou a ve vesmíru pozorovatelnou hmotu, připadá tedy pouze skromný podíl vyčíslený v rozmezí asi 4 % celkového vesmíru. Protože na rozdíl od žhavých hvězd, v nichž se odehrávají termonukleární reakce, je skrytá hmota zcela temná, nemůžeme ji pozorovat. Skrytá hmota, stejně jako „skrytá energie“, představují téma, o němž se hovoří na kongresech a píše v časopisech.
Teď se ale celá záležitost ještě zproblematizovala. Britský astrofyzik Aaron Romanowsky (http://www.nottingham.ac.uk/~ppzwww/staff/Romanowsky_AJ.html) a jeho spolupracovníci z univerzity v Nottinghamu (http://www.nottingham.ac.uk/physics/research/astronomy), zveřejnili v časopise Science výsledky svých pozorování, při nichž objevili tři eliptické galaxie. Na tom by nebylo nic zvláštního, ale kámen úrazu spočívá v tom, že se tyto tři galaxie z hlediska své dynamiky chovají, jako by v sobě žádnou nesmírně hmotnou skrytou hmotu neobsahovaly. Tento závěr je o to překvapivější, že právě pohyb dosud pozorovaných galaxií, včetně Mléčné dráhy a blízké galaxie v Andromedě, svědčil bez výjimky ve prospěch skryté hmoty.

Skrytá hmota, podobně jako reliktní záření, je pravděpodobně pozůstatkem raného vesmíru. Proč o ní ale vědci vůbec uvažují, když není takřka vůbec pozorovatelná? Důvod, jak už jsme předznamenali, spočívá v dynamice galaxií, ba dokonce celých kup galaxií. Astronomové totiž už řadu let pozorují, že tyto obrovské útvary musí být vázány téměř až desetkrát větším množstvím hmoty, než jakou ve skutečnosti na noční obloze vidíme. Kdyby na hvězdy a mračna plynu v těchto galaxiích působila pouze gravitace viditelných objektů, musely by se v souladu s Keplerovými zákony pohybovat daleko pomaleji, než pozorujeme. Ve skutečnosti se totiž hvězdy a mračna plynu v rozdílných vzdálenostech od středu galaxie pohybují víceméně stejnou rychlostí, což odporuje elementární klasické mechanice. Vysvětlení je nasnadě. Celé zářící galaxie i nesmírně rozlehlé jejich kupy musí být obklopeny jakousi záhadnou temnou a těžkou hmotou, kterou optickými teleskopy nemůžeme pozorovat.

Že by se galaxie zcela rozptýlily, kdyby je nesvazovala námi nepozorovatelná skrytá hmota, na to upozornil bezmála již před 70 lety americký astronom švýcarského původu Fritz Zwicky. Navrhl dokonce způsob, jak tuto skrytou hmotu identifikovat. Spočívá v použití tzv. gravitační čočky, využívající v souladu s Einsteinovou obecnou teorií relativity efektu ohybu světleného paprsku gravitací velkého objektu. Právě jeho metoda, ačkoli se toho Zwicky již nedožil, začala v minulých letech přinášet první ovoce. Na snímcích galaxií vzdálených asi milion světelných let lze pozorovat tmavé pásy a skvrny: představují galaxii několikrát vzdálenější než kupa samotná, jejichž obraz se jeví, jako by byla nahlížena skrze zkreslující čočku. Jev je způsoben tím, že gravitace kupy galaxií ohýbá světlo, které jí prochází.

Z fyzikálního hlediska je hon na skrytou hmotu zajímavý. Chování galaxií i jejich kup, které nás k hypotéze o skryté hmotě přivedli, jsme odvozovali od Newtonova gravitačního zákona, byť v měřítku milionkrát či miliardkrát větších než je naše Sluneční soustava. Důkaz její existence ovšem úspěšně provádíme na základě jiné fyziky – teorie relativity.

Co tvoří skrytou hmotu? To je další palčivá otázka. Dnes je ale takřka jisté, že to nemohou být běžné atomy. Skládá se s největší pravděpodobností z částic, které nemají elektrický náboj a pronikají libovolným materiálem takřka bez jakékoli interakce. Kandidáty byly nejprve elektricky neutrální kosmická neutrina, ale jejich hmotnost, jak ukázalo koncem 80. let minulého století měření jejich ekvivalentní energie, je tak nepatrná, že byla tahle spekulace rychle pohřbena. Dnes se soudí, že skrytá hmota se skládá z baryonů (jejich specifický název zní MACHOs – Massive Compact Halo Object), i když je velká řada astrofyziků, kteří s tím nesouhlasí. Domnívají se totiž, že povaha skryté hmoty je nebaryonová (jde o tzv. WIMPs – Weakly Interactive Massive Particles). Předpokládá se, že WIMPs interagují s ostatní hmotou pouze prostřednictvím slabé jaderné síly (a ovšem gravitací), zatímco silnou jadernou sílu a sílu elektromagnetickou necítí. V posledním roce se jazýček vah nachýlil ve prospěch částic MACOs, ale otázka dosud není zdaleka uspokojivě vyřešena.

A nyní k ní přistupuje další problém, který bude muset astrofyzika zodpovědět. Nadnesl ji právě Aaron Romanowsky a jeho tým. Jak je možné, že některé galaxie skrytou hmotu obsahují a jiné nikoli. Astrofyziků a kosmologům zbývají dvě možnosti. Buď najdou odpověď, proč se některé galaxie obejdou bez skryté hmoty, anebo Romanowského měření a závěry zpochybní. Otázka skryté hmoty, často uváděná jako astrofyzikální problém číslo jedna, je totiž zásadní, chceme-li porozumět vesmírným projevům, genezi a pohybovému chování galaxií a galaktických kup, stejně jako samotnému vzniku vesmíru, velkému třesku a tomu, co se odehrávalo krátce po jeho singularitě. Z tohoto důvodu bude pokračující pozorování a debatu o skryté hmotě astronomický svět očekávat s netrpělivým napětím.

Více informací:

A Dearth of Dark Matter in Ordinary Elliptical Galaxies, in Science 2003 (http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1087441v1)
Dark Matter, Cosmology and Large-Scale Structure of the Universe
http://www.astro.queensu.ca/~dursi/dm-tutorial/dm0.html
Chandra: Dark Matter Mystery
http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter.html
Dark Matter Telescope
http://www.dmtelescope.org/dark_home.html

autor Jan Kapoun