Únor 2004

Složení kosmu odhaleno.

Martin Uhlíř

Největší objev roku 2003: čím je tvořen vesmír, jak je starý a jaká síla mu vládne

Kdy se zrodil vesmír? Je pravda, že jej ovládá tajemná energie s antigravitačním účinkem? Rozletí se jednoho dne vše včetně atomů v konečném osudovém výbuchu? Na některé z těchto otázek už vědci dokážou odpovědět.

Během osmdesáti let života se člověk hodně změní. Což takhle vzít fotoaparát, namířit jej do minulosti a zachytit, jak vypadal dnešní osmdesátník v den, kdy se narodil. Škoda, že to není možné. A kdyby stařec žil na planetě vzdálené osmdesát světelných let? Pak by fotony, nesoucí obraz novorozeněte, k nám mohly doputovat právě v této chvíli. Jenže na tak obrovskou vzdálenost nejsme schopni zahlédnout ani celou planetu, natož pak dítě.

Astronomové přesto provedli měření, které odpovídá pořízení snímků nového človíčka v minulosti vzdálené osmdesát let: podařilo se jim "vyfotografovat" novorozený vesmír a ukázat, jak vypadal krátce po svém vzniku. Přístroj, který to dokázal, nezachycoval ovšem viditelné světlo, ale fotony mikrovlnného reliktního záření, které jsou všude kolem nás. "Reliktní záření bychom mohli přirovnat k dohořívajícím uhlíkům po kosmickém ohňostroji raného vesmíru. Zbylo totiž v kosmu jako pozůstatek velkého třesku," uvádí astrofyzik Jiří Grygar. Vědci někdy používají ještě jiný příměr: fotony reliktního záření připodobňují k mravencům, kteří lezou po povrchu nafukovaného balónku, představujícího náš rozpínající se vesmír. Krátce po velkém třesku měli mravenci značnou energii, postupně ale chladli, až vychladli na současnou teplotu necelých tří stupňů nad absolutní nulou. Důležité je, že ne všichni mravenci mají teplotu úplně stejnou. Mravenec, který se v době, kdy se v kosmu objevila hmota, jak ji známe dnes, musel prodírat hustší oblastí, vychladl více.

Fotony reliktního záření tedy vypovídají o tom, kde se v raném vesmíru nacházely oblasti s větší hustotou hmoty, z nichž se později rodily galaxie, a kde naopak zela prázdnota.

Podivný vesmír

Reliktní záření změřila velmi přesně americká sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), která od roku 2001 pracuje ve vzdálenosti 1,5 milionu kilometrů od Země. Výsledky, publikované v únoru 2003, označil časopis Science za největší objev loňského roku a přelom v kosmologii. "Spolu s několika dalšími pozorováními znamenají konec sporů o povaze kosmu, které se táhnou celá desetiletí. Potvrzují, že náš vesmír je mnohem, mnohem podivnější, než jsme si kdy představovali," píše Science.

Automatický průzkumník, umístěný v bodě, kde se vyrovnává sluneční a zemská gravitace, mimo jiné pomohl zpřesnit naše představy o dosavadním stáří kosmu: díky němu víme, že k velkému třesku došlo skoro přesně před 13,7 miliardami let. Případná chyba je menší než dvě procenta, tedy pouze asi dvě stě milionů roků. Zároveň jsme se dověděli, že první hvězdy vznikly mnohem dříve, než jsme se domnívali. Není to ale zdaleka všechno.

"Měření sondy WMAP mají dramatické důsledky pro pochopení toho, jak se vesmír vyvíjí," říká profesor Jiří Chýla, odborník na elementární částice, který stejně jako dr. Grygar pracuje ve Fyzikálním ústavu AV ČR. Sonda totiž ukázala, jak vypadala "zárodečná polévka", jež vyplňovala kosmos 379 000 let po velkém třesku, tedy v éře, o níž nám kosmičtí mravenci přinášejí svědectví. Dozvěděli jsme se, kolik tehdy existovalo takzvané temné hmoty a jaké měla vlastnosti. Temná hmota přestavuje jednu z největších záhad současné vědy vůbec. Astrofyzici registrují její gravitační účinky, nemohou ji však spatřit, protože nevydává žádné záření. Nikdo neví, z čeho se temná hmota skládá, je však jisté, že ji tvoří dosud neznámé, tajemné částice.

Náhlá smrt hmoty

Údaje sondy WMAP umožnily vypočítat, že hmota, kterou známe - hvězdy, stromy, lidé, zkrátka vše v nás i kolem nás - tvoří pouhá čtyři procenta všeho, co v kosmu existuje. Na temnou hmotu, o níž zatím nevíme téměř nic, připadá 23 procent. Zbývajících 73 procent má na svědomí cosi ještě podivnějšího: takzvaná temná energie. (Protože se hmota může měnit v energii a naopak, vědci započítávají do celkového úhrnu obě kategorie).

Jaký je příběh temné energie? Jeho nejdůležitější kapitoly se začaly psát před pěti lety, kdy dva týmy astronomů nezávisle dospěly k šokujícímu závěru. Porovnání blízkých a nesmírně vzdálených supernov jim prozradilo, že se rozpínání vesmíru zrychluje. Přitažlivost hmoty by přitom měla expanzi kosmu, nastartovanou velkým třeskem, naopak zpomalovat! Vypadalo to, že v kosmu existuje kromě hmoty ještě něco jiného, jakési záhadné fluidum, které má antigravitační účinek. Dostalo název temná energie, pochybnosti ovšem zůstaly. Nemohla být v měřeních nějaká chyba?

Rok 2003 jasně ukázal, že se objevitelé podivného jevu nemýlili. Temná energie skutečně existuje. Svědčí o tom nejen poznatky sondy WMAP, ale také analýza toho, jak jsou v kosmu rozloženy galaxie. Vědci přidali ke všem těmto údajům ještě nedávná pozorování vzdálených supernov. Ve světle přívalu nových dat zavrhli některé předpoklady o povaze záhadného fluida, které žene galaxie od sebe, jiné hypotézy naopak nabyly na důležitosti. “Nyní” (vědci) “musejí uvažovat o takové formě temné energie, která by mohla způsobit, že veškerá hmota v kosmu zanikne násilnou a náhlou smrtí," uvádí Science. “Pokud je temná energie silnější než určitá kritická hodnota, časem roztrhne galaxie, sluneční soustavy, planety a dokonce i jednotlivé atomy."

Uklidnit nás může, že se tento neblahý osud hned tak nenaplní. I pokud jsou nastíněné představy správné, vesmír ještě hezkých pár miliard let vydrží. Jisté není ani to, zda se povaha temné energie v budoucnu nezmění. Její vliv může z nějakého důvodu zeslábnout. Vědci proto dosud nezavrhli jiné scénáře budoucnosti kosmu, než jsou ty, jimž vládne neustálé rozpínání. Expanze se dokonce může časem zcela zastavit a přejít v opětné smršťování. Vesmír by se pak zhroutil do jediného "bodu", takzvané singularity, z níž vzešel.

Detektor na mořském dně

Vraťme se ještě na okamžik k temné hmotě. Díky přesným měřením sondy WMAP víme, že částice, které ji tvoří, musely 379 000 let po velkém třesku cestovat zárodečnou polévkou výrazně pomaleji než světlo. Jinak by totiž podle profesora Chýly "rozmyly" nehomogenity v mikrovlnném reliktním záření. Jinými slovy, kosmičtí mravenci by dnes měli jinou velikost, než mají. Když tedy nyní odborníci vědí, že stavební prvky temné hmoty putovaly vesmírem mnohem pomaleji než světlo, mohou spolehlivěji navrhnout, o jaké částice by mělo jít. Žhavými kandidáty jsou takzvaná neutralina. Jejich existenci se už několik let snaží prokázat experimenty prováděné ve známé laboratoři CERN. Není ovšem vyloučeno, že se neutralina v CERN objevit nepodaří. Snad jsou tyto částice příliš těžké na to, aby mohly vznikat v urychlovačích. Naštěstí existuje ještě jiný způsob, jak najít jejich stopy.

Pokud neutralina nejsou pouhou fantazií, měla by se hromadit ve slunečním nitru a měla by zde anihilovat. Produkty tohoto procesu by vylétaly ze Slunce a putovaly vesmírem, přičemž by se pochopitelně nevyhnuly ani Zemi. Vědci se je snaží zachytit pomocí detektorů umístěných na velmi neobvyklých místech: na jižním pólu a na dně Středozemního moře. “Fyzika mikrosvěta a makrosvěta spolu fascinujícím způsobem souvisejí," říká profesor Chýla. Příběh sondy WMAP ukazuje, že odborníci na elementární částice mohou pomoci kosmologům a naopak.

V minulých letech se kosmologové snažili zjistit, zda je skutečně správná matoucí, selským rozumem nepochopitelná představa vesmíru složeného převážně z temné hmoty a rozmetávaného do všech stran temnou energií. Nyní odpověď znají, objevují se ale další neznámé. Více bychom se měli dozvědět po roce 2007, kdy má odstartovat nová, dokonalejší sonda Planck.

Jaké poznatky přinesly údaje sondy WMAP a další výzkumy zveřejněné v roce 2003

- vesmír je starý 13,7 miliardy let s odchylkou menší než dvě procenta

- první hvězdy začaly zářit už 200 milionů, nikoliv miliardu let po velkém třesku

- složení vesmíru: běžná, nám známá hmota tvoří jen čtyři procenta; dalších 23 % "má na svědomí" temná hmota, o níž mnoho nevíme; zbylých 73 % je temná energie, která urychluje rozpínání kosmu

- vesmír se v současnosti rozpíná rychlostí 70 km/s na megaparsek; to si můžeme představit tak, že dvě pomyslné značky, připevněné k prostoru ve vzdálenosti jeden megaparsek (3 x 1019 km) od sebe, se každou sekundu od sebe vzdálí o 70 km

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)