Student World

Skrytá hmota je jednou z největší záhad současné astronomie. Ne náhodou ji americký publicista a astronom Timothy Ferris nazval “černým Tádžem moderní kosmologie”. Co vlastně tento pojem obnáší? V posledních dvaceti letech se ukázalo, že nejméně devadesát, a dokonce snad až devadesát devět (!!) procent hmoty ve vesmíru existuje ve skryté podobě.
Tato hmota je neviditelná, ne snad proto, že by byla daleko – většina astronomů se domnívá, že je rozložena zřejmě stejně jako viditelné galaxie – ale protože ani nevyzařuje, ani nepohlcuje světlo. Ferris se domnívá, že část této hmoty je tvořena běžným materiálem, ale větší část může být naopak dosud neznámé povahy. Pro astronomy je to velmi frustrující závěr, neboť miliony galaxií, které dosud studovali, mohou být jen menšinou, vzorkem, který nemusí mnoho vypovídat o vesmíru jako celku.
Jaký je důkaz, že skrytá hmota ve vesmíru opravdu existuje? Popravdě řečeno, je poměrně prostý a vychází z pozorování pohybů velkých hvězd a galaxií, přesněji řečeno z neplatnosti Keplerova třetího zákona. Toto pravidlo je charakteristické pro všechny oběžné systémy, v nichž je hmota koncentrována ve středu oběhu. Keplerův zákon tedy platí např. v naší sluneční soustavě: Slunce obsahuje 99 % hmoty naší soustavy a jeho gravitační síla působící na planety klesá jako čtverec jejich vzdáleností (Země se pohybuje po oběžné dráze rychlostí 30 km/s, zatímco Jupiter, vzdálenější pětkrát dále od Slunce, obíhá rychlostí 13 km/s). Kdyby však bylo Slunce obklopeno mračnem neviditelné látky, stejně těžké jako sluneční hmota a rozprostírající se až za oběžnou dráhu Pluta, v rychlosti oběhu planet by Keplerův zákon neplatil. Vnější planety by se pohybovaly stejně rychle jako vnitřní. Ačkoli sluneční soustava takové rozložení hmotnosti neobsahuje, mnoho spirálních galaxií, jak prozradila četná měření, ho evidentně má. Pozorování totiž prokázalo, že hvězdy blízko okraje viditelného disku takovéto spirální galaxie obíhají stejnou rychlostí srovnatelnou s rychlostmi oběhu hvězd u vnitřního okraje. Jak je to možné? Že by zde newtonovská gravitace z jakéhosi záhadného důvodu neplatila? Vysvětlení tkví jedině v existenci jakési skryté hmoty, jež nevyzařuje ani neabsorbuje světlo.
První, kdo si všiml těchto nesrovnalostí, byl holandský astronom Jan Oort, který již v roce 1932 vypočítal, že naše galaxie obsahuje takřka dvojnásobek množství hmoty, než můžeme pozorovat. Vyslovil domněnku, že část hmoty je pravděpodobně neviditelná. Termín skrytá neboli temná hmota (dark matter) vytvořil o pár let později nonkonformní švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky, který, stejně jako Richard Feynman či Murray Gell-Mann, působil na Caltechu. Zwicky z pozorování kupy galaxie Coma vypočítal, že tato obrovská kupa musí být z devíti desetin složena ze skryté hmoty. Tehdy ho ovšem nikdo nebral moc vážně, Zwicky byl provokatér, a ačkoli dodnes drží rekord za největší počet objevených supernov, jeho jméno je známo jen odborníkům.
Na začátku 70. let minulého století se ale zájem o skrytou hmotu znovu probudil, když dva astronomové vypočítali, že běžné spirální galaxie, jako je například Mléčná dráha, by byly nestabilní, kdyby většina jejich hmoty byla shromážděna v jejich discích. Na základě těchto výpočtů vyslovili názor, že dvě třetiny spirálních galaxií musí být stabilizováno masivním skryté hmoty (tzv. haló). Na jejich výpočty navázala americká astrofyzička Věra Rubinová, která se specializovala na zkoumání galaktických periférií. Právě ona zjistila, že ve spirální galaxii Andromeda obíhají odlehlé hvězdy stejnou rychlostí jako hvězdy v disku. Nejprve si myslela, že Andromeda je výjimkou, ale brzy se ukázalo, že se tímto způsobem chovají i jiné spirální galaxie.
To ale nebylo všechno. Později se na základě experimentálních údajů vyhodnocenými výkonnými počítači došlo k závěru, že i jiné typy galaxií, eliptické či trpasličí, obsahují skrytou hmotu. Ba co víc, jsou dokonce skryté hmoty přímo plné!
Stručně řečeno, zevrubným studiem gravitačního pohybu hvězd a galaxií bylo zjištěno, že ve vesmíru je mnohonásobně více hmoty, než můžeme pozorovat. Tato skutečnost podporuje i inflační teorii velkého třesku. Podle ní se totiž vesmír pohybuje na úzké hranici mezi věčným rozpínáním a koncem v podobě kolapsu. Viditelná hmota ve vesmíru ovšem nedostačuje k tomu, aby udržela tuto křehkou rovnováhu. Vesmír tedy ve skutečnosti ovlivňuje něco, co nevidíme a o co jsme dosud nedokázali analyzovat. Ve vědeckém tisku se už nepokládala otázka “Existuje skrytá hmota?” ale spíše “O jakou matérii se jedná, když vyplňuje tak ohromné prostory vesmíru?”
Jsou dvě možnosti. První spočívá v tom, že všechna skrytá hmota se skládá z baryonů, tedy z protonů a neutronů – speciální termín zní MACHOs (Massive Compact Halo Objects). Jednalo by se tedy o normální látku, například o hvězdu typu Hnědý trpaslík, vzdálené planety, neutronové hvězdy, mezigalaktický plyn, prach, led a černé díry. Ale je zde jeden háček. Tato hmota by údajně nestačila vyplnit kupy a superkupy galaxií. Navíc výpočty jaderné syntézy v teorii velkého třesku nedovolují, aby baryonová hmota tvořila více než desetinu kritické hodnoty. Problém skryté hmoty, jak uvádí Jiří Grygar, zřejmě nelze vyřešit bez hlubšího pochopení dějů ve velmi raném vesmíru.
Z toho důvodu musí existovat další skrytá hmota, tvořená nehmotnými či spíše velmi lehkými částicemi, jež se pohybují vesmírem rychlostí světla. Tyto nebaryonové objekty dosud neznámého druhu označujeme jako WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Mohly by to být například neutrina, která jsou velmi nesnadno rozpoznatelná. V tom případě by bylo pravděpodobné, že brzy po velkém třesku vylétlo z kosmické polévky obrovské množství neutrin a od té doby volně proudí vesmírem. Kdyby každé neutrino mělo malou, nicméně nenulovou hmotnost, jejich množství by stačilo, aby hrálo roli veškeré chybějící gravitační hmoty. To je ovšem pouze teorie, navíc postavená na dosti tenounkých hliněných nožkách.
V nedávné době se ale stalo něco, co astronomům vyrazilo dech. Skrytá hmota byla identifikována! Již od poloviny 90. let minulého století byly pozorovány náznaky, které by mohly být onou tajemnou skrytou hmotou, ale teprve nyní lze říci, že byla odhalena. Mezinárodní skupině astronomů se ji podařilo identifikovat při studiu fotografií z Hubbleova vesmírného teleskopu, nejhmotnější satelitní galaxii Mléčné dráhy. Jedná se o malou nejasnou hvězdu typu Hnědého trpaslíka, který je konečným stádiem vývoje hvězdy a která se nachází v blízkosti hvězdy typu Rudého obra ve Velkém Magallenově mračnu, asi ve vzdálenosti 600 světelných let od Země. Výsledek tohoto pozorování se tedy přiklání k teorii, že skrytou hmotu tvoří baryony (MACHOs), i když vyslovovat konečné potvrzení je dosud poněkud předčasné.

Více informací:
http://www.dmtelescope.org/index.htm
http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter.html
http://www.wizards.com/darkmatter/welcome.asp
http://www.eclipse.net/~cmmiller/DM/

autor Jan Kapoun