Otázka, jak se vytvořily galaxie, zůstávala kosmologickou záhadou do té doby, než byla v roce 1989 vypuštěna na oběžnou dráhu družice COBE, určená k zmapování reliktního mikrovlnného záření na celé obloze. (COBE je zkratka pro Cosmic Background Explorer, výzkumník kosmického pozadí.)
Úkolem družice bylo najít drobné variace v teplotě mikrovlnného záření, jež se do té doby jevila ve všech směrech stejná. Skvrnky o nepatrně vyšší teplotě by znamenaly o něco větší hustotu hmoty v místech, odkud záření vyšlo, a tato o něco hustší místa by mohla být zárodky budoucích galaxií a jejich kup. Kdyby družice COBE nenašla žádné změny v teplotě záření při malé změně úhlu pozorování, celá teorie vývoje vesmíru by se musela podstatně revidovat.
Prokousat se údaji z COBE zabralo fyzikům v Berkeley mnoho měsíců. Museli vyloučit různé vedlejší efekty, například záření pocházející z naší Galaxie i pohyb Země spolu s celou naší Galaxií vzhledem k poli reliktního záření. Výsledek se na předních stránkách hlavních novin po celém světě objevil v dubnu roku 1992. Pečlivá analýza ukázala, že kosmické mikrovlnné záření ve skutečnosti přesně izotropní není, odchylky teploty jsou však tak malé, že je předchozí méně přesná měření nemohla odhalit. Fotografie nepravidelností dostali novináři s komentářem, samozřejmě s žertovnou nadsázkou, že se dívají do tváře Boha.
Podle revidované teorie tyto malé rozdíly v hustotě hmoty, jež se zobrazily jako variace v teplotě mikrovlnného záření, ve vesmíru existovaly v době 300 tisíc let po velkém třesku. Na ně padala okolní hmota, až po miliardách let se vytvořily galaxie a jejich seskupení tak, jak je pozorujeme dnes. Výpočty ukázaly, že naměřené nepravidelnosti zrnitost vesmíru dostatečně vysvětlují. Původní rozměry nehomogenit se samozřejmě postupně zvětšovaly rozpínáním vesmíru, až z nich byly chomáče galaxií, jež dnes na obloze vidíme.
Zrnitost vesmíru a temná hmota
Asi nejjednodušším vysvětlením tvorby galaxií je existence temné hmoty. Připomeňme, že kosmické mikrovlnné záření představuje reliktní záření z doby 300 000 let po velkém třesku. Do té doby byla obyčejná hmota ještě příliš horká, než aby v ní mohlo docházet k nějakému shlukování. Už víme, že se nemohly vytvořit ani atomy – energetické fotony by odervaly elektrony od jader. Podobně by horké elektromagnetické záření zabránilo gravitačnímu shlukování plazmatu tvořeného jádry a elektrony. Astronom Donald Goldsmith to srovnává s pokusem upéci suflé během tornáda. Jakmile ho vyndáte z trouby a dáte ho ven vychladnout, vítr ho rozmetá – musíte prostě počkat, až se vítr uklidní.
S temnou hmotou je tomu však jinak. Protože temná hmota neinteraguje s elektromagnetickým zářením, intenzivní záření v době před vytvořením atomů na ni nepůsobí, a proto se může pod vlivem vlastní gravitace začít shlukovat už dříve než 300 000 let po velkém třesku, dokonce téměř bezprostředně po něm. Po vytvoření atomů se na již existující chuchvalce temné hmoty začne nabalovat hmota atomární, protože chuchvalce ji gravitačně přitahují, a z ní se pak vytvoří hvězdy a galaxie, jež dnes pozorujeme našimi dalekohledy.
Jestliže však existují kosmické struny, scénář shlukování by mohl vypadat i jinak.
Topologické defekty
Představa o vzniku kosmických strun vychází z toho, co víme o obyčejných fázových přechodech, se kterými se setkáváme všude kolem nás. Například tvoření krystalů představuje fázový přechod mezi kapalnou a tuhou fází dané látky, magnetizace železa je přechod mezi magnetickou a nemagnetickou fází. Fyzikové pevné fáze vědí, že fázové přechody (například var, mrznutí a tání) nejsou pozvolné hladké děje, nýbrž začínají náhlým vytvářením „defektů“ v různých místech látky, poruch atomové struktury, jež pak rychle narůstají.
Typický je například průběh mrznutí vody. V tekutině se začnou vytvářet zárodky krystalové mříže podél čar či plošných „stěn“. Na mikrofotografiích vytvářejícího se ledu je dobře patrno, jak se kolem lineárních či plošných zárodečných poruch vytvářejí drobné ledové krystalky.
Podobně je vidět na mikroskopických obrázcích železa vloženého do magnetického pole doménová struktura. V jednotlivých doménách jsou atomy stejně orientovány a od domén s jinou orientací jsou odděleny stěnami. Jak pole sílí, domény postupně splývají a nakonec jsou všechny atomy orientovány v jednom směru – směru magnetizace vzorku.
Částicoví fyzici věří, že podobné defekty se vytvořily ve velmi raném vesmíru, když vesmír začal chladnout. Když chladne „polévka“ původních subatomárních částic, může kondenzovat do struktur, jako jsou struny a stěny, může se vytvořit i komplikovanější textura. Struny z počátků vesmíru mají analogii v magnetismu.
Magnetické pole normálně neproniká supravodivým materiálem, tedy materiálem vychlazeným na teplotu blízkou absolutní nule, jež má téměř nulovou vodivost. Některými supravodivými látkami však proniknout může a vytvoří v něm struny kondenzovaného magnetického pole.
Magnetické pole tedy není v těchto supravodičích spojité, nýbrž je koncentrováno do tenkých strun. Podobně kosmické struny lze přirovnat ke kondenzovaným subatomárním polím z raného vesmíru. Struny nemají konce – jsou buď uzavřené, nebo nekonečné. Podle tohoto scénáře se vytvořily krátce po velkém třesku a jejich síť prostupovala celým vesmírem.
Ve strunách je obrovské napětí a mohou proto velmi divoce kmitat a třást se, často prosekávají struny jiné. Původně se myslelo, že jejich délka dosahuje stovek tisíc světelných let a že byly zárodky dnešních galaxií. Počítačové simulace jejich růstu to však, zdá se, vyloučily.
V osmdesátých letech vznikla i představa, že divoký pohyb kosmických strun budí kolem sebe „gravitační vlny“, podobně jako na jezeře vznikají vlny za motorovými čluny, a tyto gravitační vlny vedou k vývoji galaktických „zdí“, jež jsou dnes pozorovány. Kdyby v raném vesmíru bylo magnetické pole, pak by se dalo ukázat, že kosmické vlny mohly vytvářet enormně silná pole elektrická a chovat se jako supravodiče. A tyto supravodivé struny by mohly hmotu kolem sebe odstrkovat, místo aby ji přitahovaly. Každopádně, důsledkem existence strun bychom nacházeli nepravidelnosti v rozložení hmoty.
Kosmické záhady by mohla vysvětlit další generace experimentů a pozorování. Na dosavadních mapách byly zachyceny přesné polohy a rychlosti desítek tisíc galaxií na různých místech oblohy. Donald G. York z Chicagské univerzity stojí v čele společného projektu řady univerzit, který by měl vyústit ve vytvoření vůbec největšího katalogu galaxií, který kdy vznikl – měl by zahrnout kolem milionu galaxií. Ještě v celkem nedávné minulosti by se to zdálo být nedosažitelným cílem, dnes však automatická měření a digitální optika činí takový úkol reálným. Takový obrovský galaktický atlas by přinesl podstatnou informaci, zda i v tak velkém souboru anomálie přetrvávají.
Tento text je úryvkem z knihy
Michio Kaku a Jennifer Thompsonová: Dále než Einstein, Argo a Dokořán, Praha 2009, překlad Jiří Langer
O knize na stránkách vydavatele
