Únor 2008

Neznámý vesmír

Petr Kulhánek

V našich znalostech kosmu existují obrovská bílá místa: podstata celých 96% vesmíru nám zůstává skryta. Už několik příštích let by ale mohlo přinést poznatky, které promění náš pohled na nejširší svět, v němž žijeme.

Lidé se po staletí pokoušejí poznávat svět kolem sebe, svět plný záhad a podivných jevů. A často se stává, že uvěří věcem zdánlivě samozřejmým. Stačí se podívat na noční oblohu. Hvězdy se během noci přemisťují po kružnicích. Jak snadné je uvěřit, že jsou zavěšeny na křišťálové klenbě, která se otáčí kolem nás.

Do roku 1998 jsme věřili tomu, že náš vesmír tvoří především hvězdy, planety, hvězdokupy, překrásné mlhoviny a galaxie, které vidíme v dalekohledech. Opět se ale zdá, že vše je jinak: všechny tyto pozoruhodné objekty, celý svět složený z atomů, představuje pouhá čtyři procenta celkového množství hmoty a energie ve vesmíru. A co je ten zbytek? Mysteriózní temná energie rozfukující vesmír zrychlenou expanzí a temná hmota vytvářející pavučinovou síť vláken a stěn.

Všudypřítomné fluidum

Měření vzdáleností ve vesmíru je docela obtížná věc a astronomové k němu využívají různých triků. Měří například zdánlivý pohyb hvězd na obloze způsobený oběhem Země kolem Slunce, z něhož lze určit vzdálenosti nejbližších hvězd. Existují i jiné možnosti, všechny však selhávají na skutečně velkých, tzv. kosmologických vzdálenostech.

Na konci 20. století se k určování vzdáleností začaly používat supernovy typu Ia. Jsou to explodující hvězdy, které mají stejnou svítivost. Lidé konečně objevili „standardní svíčku“ zářící vždy stejným způsobem. Pokud ve vzdálené galaxii nalezneme supernovu Ia, snadno určíme její vzdálenost. A rozložíme-li světlo této galaxie na jednotlivé čáry, můžeme z jejich poloh určit pohyb galaxie vůči nám. Co více si přát? Znalost polohy a rychlosti vzdálených galaxií nám umožňuje přímo sledovat expanzi vesmíru.

V roce 1998 přišly dvě vědecké skupiny zkoumající supernovy typu Ia s překvapivým objevem: vesmír se rozpíná zvyšující se rychlostí. Gravitace je přitom přitažlivou silou a může expanzi jen brzdit. Jestliže se tedy vesmír rozpíná stále rychleji, musí v něm existovat entita, která jej rozfukuje.

Tuto entitu nazýváme temnou energií. Kdyby o její existenci svědčily jen supernovy Ia, mohli bychom ještě pochybovat, podařilo se však najít i další pádné důkazy: o existenci temné energie vypovídají také pozorování tzv. reliktního záření, které vzniklo nějakých 400 000 let po velkém třesku a prostupuje celý vesmír.

Do třetice potvrzují existenci temné energie různé velkorozměrové přehlídky oblohy, zkoumající polohy milionů vzdálených galaxií. K nejznámějším patří průzkum severní oblohy s názvem SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Pomocí těchto přehlídek vytvářejí astronomové mapy vzdáleného vesmíru, které ukázaly, že galaxie a jejich kupy se soustředí do obřích vláken a stěn. Například tzv. Velká stěna je dlouhá 600 milionů světelných roků, zatímco na tloušťku měří pouhých 15 milionů světelných roků. Z počítačových simulací vývoje vesmíru víme, že takovéto struktury mohou vznikat jen v přítomnosti entity, která rozfukuje vesmír. Třetím nezávislým způsobem přicházíme k pojmu temné energie ovládající vesmír kolem nás.

Temnou energii si můžete představit jako novou sílu nebo jakýsi novodobý éter či jen jako všudypřítomné fluidum. Její skutečnou podstatu však zatím neznáme. Je to poněkud frustrující, protože podivná temná energie by měla v kosmu tvořit plných 73 % celkového množství hmoty a energie. (Protože se hmota může měnit v energii a naopak, lze do celkového úhrnu započíst obě kategorie – pozn. red.)

Původ temné energie by mohla vysvětlit kvantová teorie. Její zákony nám ukazují, že nelze úplně zastavit pohyb atomů v látce. Podobně nemůže existovat ani zcela prázdné vakuum. Ve vakuu budou vždy přítomny fluktuace různých polí, z ničeho nic se budou tvořit páry částice–antičástice a zase zanikat. Vakuum má mnoho zajímavých vlastností, lze ho například polarizovat, posouvá spektrální čáry prvků. A také by mohlo způsobovat expanzi vesmíru. Co když se tedy kvantové vlastnosti vakua projevují jako temná energie? Skutečně je to jedna z možností, proti svědčí ale dost zásadní námitka: energie vakua je podstatně více než pozorované temné energie.

Pokud temná energie nesouvisí s vakuem, může jít o zcela nové kvantové pole, novou sílu. Pracovně se nazývá kvintesence neboli prapodstata. Anebo je to vše nedorozumění a nepochopili jsme dobře gravitační působení? Třeba temná energie vůbec neexistuje a gravitační síla se na velkých vzdálenostech chová jinak, než jsme zvyklí. To jsou otázky, které trápí současnou fyziku.

Na vlastnostech temné energie závisí budoucnost našeho vesmíru. Je možné, že se zrychlená expanze zastaví a vesmír zkolabuje do velmi malé a horké oblasti. Analogicky k „velkému třesku“ tuto alternativu nazýváme „velký krach“. Druhou krajní možností je „velký roztrh“, kdy stále se zrychlující expanze rozerve i jednotlivé atomy a hmota v současné podobě se zcela rozpadne a zmizí. Je ovšem také možné, že se vesmír bude stále rozpínat a v budoucnu se expanze jen přibrzdí. Vše závisí na vlastnostech temné energie, které ale v tuto chvíli neznáme.

Průhledná Země

Jako by záhad nebylo dost, vyplňuje kosmos ještě další málo prozkoumaná entita – temná hmota. Měla by tvořit 23% hmoty a energie přítomné ve vesmíru, přitom stejně jako u temné energie nevíme, co tvoří její podstatu. Na existenci temné hmoty upozornil švýcarsko-americký fyzik Fritz Zwickey již v roce 1934. Povšiml si, že galaxie se na okrajích kup galaxií pohybují rychleji, než by měly. Správně usoudil, že pokud neodlétnou pryč odstředivou silou, musí je přitahovat gravitační působení další hmoty, kterou nevidíme. Tentokrát jde ale o hmotu vytvářející struktury – ostrovy, vlákna a stěny, do jejichž křížení se gravitačně stahuje nám dobře známá atomární látka.

O tom, že temná hmota působí svou gravitací na normální látku, svědčí řada důkazů. Vyčteme to například z pohybu hvězd a galaxií, ale i z pohybu světelných paprsků v kupách galaxií. Je zřejmé, že temnou hmotu tvoří elementární částice, které nemají elektrický náboj a neovlivňují své okolí prostřednictvím elektromagnetického pole. Nepůsobí na okolí ani prostřednictvím takzvané silné interakce (to je síla držící pohromadě atomární jádra). Musejí to být částice, které procházejí běžnou látkou, jako by neexistovala. Zeměkoule je pro ně zcela průhledná.

Takové částice známe, objevili jsme je už v roce 1956; nazývají se neutrina. Neutrin je však příliš málo a pohybují se příliš rychle na to, aby mohlo jít o částice temné hmoty. Uvažuje se o dalších kandidátech: wimpsech, wimpzilách nebo axionech. Existuje několik desítek experimentů, které tyto exotické částice hledají. Zatím bez úspěchu.

Vesmír v urychlovači

V březnu bude v Evropském centru jaderného výzkumu CERN spuštěn největší urychlovač světa, Large Hadron Collider (LHC). Obří detektory budou zkoumat produkty srážek částic urychlených téměř na rychlost světla. Měli bychom pak lépe pochopit vlastnosti světa elementárních částic a vakua. Pokusíme se také odhalit částice, z nichž by se mohla skládat temná hmota. První výsledky lze očekávat již v tomto roce.

Urychlovač LHC není ale jediným želízkem v ohni. V červenci bude startovat ze základny Kourou ve Francouzské Guyaně evropská sonda Planck. Měla by detailně zkoumat reliktní záření, které vzniklo 400 000 let po velkém třesku, a poskytnout nám informace o temné energii s mnohem větší přesností než všechny dosavadní experimenty. Připravuje se také start sondy SNAP, která má zkoumat tisíce supernov typu Ia, pokračují desítky experimentů hledajících částice temné hmoty a další se připravují.

Každá doba má svá tajemství. Tím naším je temná energie a temná hmota. Věřme, že odpověď na otázku, jaký je náš vesmír a z čeho se vlastně skládá, získáme co nejdříve.

(Respekt, www.respekt.cz)