Temná hmota: Najdeme podstatu odvrácené strany kosmu? (1.)

První známky skutečnosti, že vesmír nemusí být tvořen jen tím, co mohou astronomové pozorovat – byť v nejrůznějších spektrálních oborech –, pocházejí z 30. let 20. století. Švýcarský astronom Fritz Zwicky (pracující převážně ve Spojených státech a narozený v Bulharsku české matce) studoval pohyby galaxií v kupě v souhvězdí Vlasů Bereniky (čítající více než tisíc členů) a porovnával je s předpovědí dynamiky vyplývající z pohybových zákonů. Využil při tom viriálový teorém, fyzikální poučku, jež platí pro stabilní systémy interagujících těles a dává do rovnováhy pohybovou a potenciální energii těchto objektů. 

Nepřehlédněte:

• Temná hmota: Najdeme podstatu odvrácené strany kosmu? (2.)
• Temná hmota: Najdeme podstatu odvrácené strany kosmu? (3.)

Pomocí zmíněné rovnováhy stanovil Zwicky celkovou hmotnost vzdálených galaxií v kupě. Stejnou fyzikální veličinu určil nezávisle na základě odhadu z jasnosti vzdálených galaxií, přičemž dospěl ke sporu: celková hmotnost kupy stanovená z pohybů jejích členů mu vyšla čtyřistakrát větší než hmotnost odhadnutá z celkové svítivosti galaxií. Zwicky jako první postuloval, že galaxie musí být plné gravitačně interagujícího materiálu, který nejsme schopni pozorovat, a nazval jej „temná hmota“. (V češtině se občas používá alternativní termín skrytá látka, který lépe vystihuje problém, s nímž astronomové zápasí. Uvedený pojem však není příliš rozšířen a my se přidržíme používanějšího označení.)

Temná hmota v trpaslících

Podivné pohyby galaxií i hvězd v jejich nitru představují dodnes hlavní pozorovací důkazy temné hmoty. K dalším patří rotační křivky spirálních galaxií. Z pohybů jednotlivých hvězd, případně mezihvězdných oblaků pozorovaných rádiově, měříme závislost průměrné rotační rychlosti na vzdálenosti od středu galaxie. Kdyby byly galaxie tvořeny pouze svítící hmotou, musela by rychlost rotace se vzdáleností od středu k okraji galaxie v souladu s pohybovými zákony klesat. To se však zjevně neděje – rotační křivky mají naopak tendenci ke konstantní rotační rychlosti bez ohledu na vzdálenost od středu, což by bylo možné, pokud by byla hustota gravitačně interagující látky větší, než odpovídá hustotě látky pozorovatelné. 

V některých galaxiích, zejména trpasličích, v nichž dožívají velmi staré hvězdy, dominuje podle měření rychlostí jednotlivých hvězd temná hmota. Příkladem je trpasličí sféroidální galaxie nesoucí označení Segue 1, jejíž rozměr nepřesahuje několik desítek parseků, přičemž obsahuje méně než sto hvězd starších dvanácti miliard let. Z jejich pohybů je zřejmé, že celková hmotnost zmíněného trpaslíka musí převyšovat půl milionu hmotností Slunce. Drtivá většina této hmotnosti je pak tvořena nepozorovatelnou temnou hmotou. 

Další pozorovací důkazy o existenci temné hmoty poskytují projekty sledující gravitační čočky. Ze systematických pozorování lze zpětně dopočítat prostorové zastoupení temné hmoty a porovnat jej s přítomnosti hmoty svítící (v různých oborech spektra). Z uvedených pozorování vyplývá, že temná hmota není zastoupena rovnoměrně, ale koncentruje se v oblastech svítící hmoty, což není nijak překvapivé vzhledem k faktu, že s baryonickou (normální) hmotou interaguje gravitačně. Nalezneme však oblasti, v nichž je přítomna téměř výhradně temná hmota, vytvářející dokonce prostorové struktury – shluky nebo podlouhlé filamenty. 

Mnoho chutí temné hmoty

Podstata temné hmoty není zřejmá a snahy o její přímé pozorování či zachycení zatím selhávají. Astrofyzikové v součinnosti s teoretickými fyziky mohou tedy spřádat o povaze temné hmoty různé teorie. 

Nikdo nepochybuje, že určitou část temné hmoty může tvořit baryonická látka, která neemituje žádné záření. Kandidáty v tomto ohledu představují například primordinální černé díry, tedy nesmírně kompaktní objekty s hmotností srovnatelnou s hmotností Měsíce nebo menší a s rozměry asi desetiny milimetru a méně, které se vytvořily z náhodných zhustků v raných a hustých fázích vývoje vesmíru. Takové objekty by bylo nesmírně obtížné detekovat, vykazovaly by zřejmě vysoké rychlosti a jen velmi malý účinný průřez interakce s baryonickou hmotou. Jinými slovy by taková černá díra prošla celou Zemí podobně jako neutrina bez nějakého podstatného efektu na planetu, snad s výjimkou rozezvučení určitého typu zemětřesných vln, které by nám poskytly jedinou možnost detekce tohoto průchodu. 

Podobně se objevily studie navrhující, že značná část „chybějící“ hmotnosti galaxií může být tvořena biliardami planet velikosti Země volně plujícími prostorem, v počtu až tisíc planet na každou hvězdu. Takové objekty by byly opět obtížně detekovatelné, přesto však nelze jejich existenci vyloučit. Nicméně těžko říct, zda by bylo možné vysvětlit bludnými planetami chybějící látku v trpasličích galaxiích. 

Teoretické studie vzniku chemických prvků (nukleogeneze) během Velkého třesku však poukazují na to, že převážnou část skryté látky nemůže tvořit baryonická hmota. Zdá se také, že temná hmota nejen nevyzařuje elektromagnetické záření, ale dokonce s ním vůbec neinteraguje. A podle dostupných pozorování není ani nositelem elektrického náboje. Teoretičtí fyzikové tedy navrhli, že nejdůležitější podstatu temné hmoty představuje hmota nebaryonická, tvořená exotickými elementárními částicemi: například velmi hmotnými neutriny nebo zcela novými, slabě interagujícími hmotnými částicemi (weakly interacting massive particle – WIMP). Jejich výskyt ve vesmíru přímo vyplývá z některých částicových teorií popisujících strukturu mikrosvěta. Jak název napovídá, tyto částice by byly imunní vůči elektromagnetické interakci a také vůči silné interakci, takže by zcela volně procházely baryonickou hmotou (například Zemí).