Hledání temné hmoty: Projekt CREDO na stopě největšího tajemství kosmu

Už od konce srpna 2016 probíhá mezinárodní projekt CREDO neboli Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory, na jehož realizaci se podílejí také vědci z Fyzikálního ústavu v Opavě. Projekt se zaměřuje na detekci kosmického záření a hledání tajemné „skryté látky“ nebo též „temné hmoty“ ve vesmíru (viz Skrytá, či temná?). Rozklíčování její záhady by mohlo být na dosah s přispěním nejširší veřejnosti po celé planetě, protože k případné detekci prchavých částic, jež skrytou látku provázejí, postačí aplikace v chytrém telefonu.

Na počátku všeho

Stávající kosmologické modely představují scénář vzniku vesmíru počínající ultraexpanzivním okamžikem zvaným Velký třesk, jenž nastal zhruba před 13,8 miliardy roků. S popisem vývoje kosmu začínají fyzikové po uplynutí tzv. Planckova času, nejmenšího teoreticky definovatelného časového intervalu, který trvá zaokrouhleně 5 × 10⁻⁴⁴ sekund. Jde tedy o skutečně nepředstavitelně krátký úsek. Všechny známé fyzikální síly – elektromagnetická, silná i slabá jaderná a gravitační – tehdy splývaly do jediné všeobjímající síly. Jen o 10⁻³⁵ sekund později pravděpodobně nastal první významný zlom ve vývoji vesmíru, tzv. kosmická inflace. 

Přibližně 20–30 milisekund po Velkém třesku se hmota v právě zrozeném kosmu rozprostírala v tzv. kvark-gluonovém plazmatu. Šlo o skupenství, v němž se látka vyskytovala v obřích teplotách a tlacích, přičemž kvarky i gluony cestovaly v prostředí volně, přestože velice těsně u sebe. Podle jedné z doposud nepotvrzených hypotéz se však s rozpínáním vesmíru začala sjednocená síla dělit na silnou interakci a elektroslabé síly, což vedlo ke vzniku prvních částic. 

Vidíme jen zlomek

Teprve když teplota klesla zhruba pod 30 miliard Kelvinů, uvolnila se od plazmatu první neutrina a kvarky s gluony se začaly vázat. Nastala tak éra tvorby nám známějších částic, jako jsou protony a neutrony, tedy tzv. baryonové látky. Psala se sekunda po Velkém třesku. Nesymetrie v mladém vesmíru pak způsobila, že se mírný nadbytek hmoty nad antihmotou nerekombinoval a zůstal dalším stavebním kamenem pro jeho současnou strukturu.

Zhuštěné oblasti hmoty se díky gravitaci v nehomogenním kosmu postaraly o vznik první mezihvězdné látky z prakticky čerstvě vytvořených lehkých prvků – atomů vodíku a helia. Zrodily se tak i prvotní hvězdné generace či zárodky galaxií. Tato dobře pozorovaná hmota však dnes podle současných modelů tvoří pouze asi 4 % kosmické hmotnosti. Dalších zhruba 27 % náleží skryté látce a majoritních 69 % skryté energii. 

Tajemná skrytá energie, jež ovlivňuje rychlost rozpínání vesmíru, je v prostoru rozložena vesměs rovnoměrně (zásah do uvedené teorie přinesl až tým Kevina Crokera z Havajské univerzity, který hledá původ energie v černých dírách). Naproti tomu skrytou látku drží gravitační síla v jakýchsi shlucích, stejně jako je tomu u běžně pozorovatelné hmoty ve vesmíru. Ostatně o její existenci jsou vědci přesvědčeni právě z gravitační interakce obou druhů látky, tedy té pozorovatelné se skrytou.

Záhada napříč galaxiemi

Skrytou látku tak nemůžeme pozorovat přímo, ale pouze jako důsledek gravitační interakce. Milovníci kosmologie ten příběh dobře znají: Už v roce 1932 nizozemský astronom Jan Oort a o rok později jeho švýcarsko-americký kolega s českými kořeny Fritz Zwicky upozornili na rozpor mezi teoretickými předpoklady a pozorováním rotace spirálních galaxií. Kdybychom totiž brali v úvahu jen viditelnou, zářící látku, ramena hvězdných ostrovů by se měla na okrajích pohybovat pomaleji, než ve skutečnosti sledujeme. Jejich součást tudíž musí tvořit i hmota, která je gravitačně popohání. 

Zwicky studoval v průběhu 30. let pohyby galaxií v kupě v souhvězdí Vlasů Bereniky, čítající přes tisíc galaktických členek, a porovnával je s předpovědí dynamiky vyplývající z pohybových zákonů. Využil při tom viriálový teorém, fyzikální poučku platnou pro stabilní systémy interagujících těles, jež dává do rovnováhy jejich pohybovou a potenciální energii. Jeho pozorování ukázala, že aby byl zmíněný galaktický systém stabilní, musel by obsahovat přibližně 400krát víc hmoty, než kolik sledujeme. 

Fritz Zwicky jako první postuloval, že hvězdné ostrovy musejí být plné gravitačně interagujícího materiálu, který nedokážeme pozorovat, a nazval jej „dark matter“, tedy „temná hmota“. (Daný termín je v češtině rozšířenější, v článku však používáme spojení „skrytá látka“, neboť lépe vystihuje problém, s nímž astronomové zápasí.) Zůstává ovšem záhadou, co přesně skrytou látku tvoří a zda vůbec existuje, či nás jen šálí současné fyzikální předpoklady. Ví se pouze, že je rozložena nerovnoměrně a nejvíc se projevuje na velkých kosmických měřítkách.

Je, nebo není?

Na základě zmíněných pozorování se astrofyzikové v zásadě rozdělili na dva tábory. Jeden z nich se rozhodl jít cestou klasické fyziky a do záhady vnesl světlo poněkud nestandardním řešením: modifikací známých fyzikálních rovnic Newtonova gravitačního zákona. Tzv. teorie MOND neboli MOdifikovaná Newtonovská Dynamika předpokládá, že se gravitační síly v galaxiích chovají jinak, než to známe z našeho nejbližšího kosmického okolí, například ve Sluneční soustavě. Při malých zrychleních může gravitace na velkých měřítkách – jako v ramenech galaxií – zesilovat právě tak, jak předpokládají Newtonovy modifikované zákony, tj. teorie MOND. Problém tkví v tom, že pak ne vždy platí zákony Einsteinovy obecné teorie relativity.

TIP: Je temná hmota vědecký omyl? Rozhovor s českým astrofyzikem z univerzity v Bonnu

Proti tomu stojí druhý tábor, který považuje existenci skryté látky za zcela neoddiskutovatelnou a její projevy za naprosto jednoznačné – u superhmotných galaxií je rozložena jako hmotné halo, ovlivňující rychlost jejich rotace mnohonásobně oproti teoretickým modelům i MOND. Hlavním problémem zůstává absence důkazů o jejím fyzickém složení. Tito badatelé předpokládají, že povahu skryté látky definují slabě interagující superhmotné částice vzniklé v době inflace vesmíru, přičemž nám jejich soudružnost a interakce s pozorovatelnou látkou dřív či později umožní je odhalit a popsat.

Dokončení: Hledání temné hmoty (2): Projekt CREDO na stopě největšího tajemství kosmu