Čo tvorí vesmír?

Preklad článku BBC What is our Universe made of?.

Poznáme len malú časť hmoty vesmíru. Zvyšok tvorí záhadná látka známa len ako temná hmota.

Ak by náš vesmír navštívil mimozemšťan z paralelnej reality, je veľká šanca, že by si ani nevšimol našu existenciu.

Istým spôsobom je to logické: vesmír je obrovský a naša planéta je len malá svetlomodrá bodka. Je to však ešte horšie – mimozemšťania by si nemuseli všimnúť ani všetky hviezdy a planéty, ktoré by ich obiehali. Mohli by prehliadnuť aj šírošíre mračná prachu, ktoré „plávajú“ vesmírom.

Všetky tieto známe veci tvoria iba zlomok hmoty v našom vesmíre. Zvyšok je čosi iné, materiál, ktorý nikto na Zemi nikdy nevidel.

Hoci to nie je úplne výstižné, fyzici ho nazývajú „temná hmota“. Ak by nejestvovala, galaxie by sa rozpadli. Nikto nevie, čo to vlastne je, ale fyzici sú čoraz bližšie k pochopeniu temnej hmoty.

Všetka „normálna“ hmota sa skladá z atómov

Všetko, čo vidíte okolo seba – počnúc vaším telom, pokračujúc planétou, na ktorej stojíte, a končiac hviezdami na oblohe –, sa skladá z atómov. Tie sa zas skladajú z menších častíc ako protóny a neutróny, pričom mnohé z nich sa skladajú ešte z ďalších častíc.

Keď fyzici začali lepšie rozumieť skladbe atómu začiatkom 20. storočia, zdalo sa, že sa nám podarí pochopiť princíp všetkej hmoty vo vesmíre.

V roku 1933 však švajčiarsky astronóm Fritz Zwicky prišiel s tvrdením, že väčšina vesmíru sa musí skladať z čohosi úplne odlišného.

Fritz Zwicky

Zwicky spočítal všetok materiál, ktorý sa dal pozorovať v skupinách galaxií. Zistil, že množstvo hmoty nezodpovedá veľkosti gravitácie, ktorá ich drží pokope.

Galaxie, ktoré Zwicky pozoroval, sa takisto točili takou rýchlosťou, ktorá by ich mala „rozhádzať“ po celom vesmíre, tvrdí Richard Massey z Durhamskej univerzity v Spojenom kráľovstve. Každá galaxia bola ako kolotoč, ktorý sa točí prirýchlo: všetkých jazdcov by to vyhodilo von.

Zwicky prišiel na to, že tam musí byť čosi iné, čo nedokázal pozorovať, ale malo to dostatočne silný gravitačný ťah, aby to udržalo všetko pohromade. Povedal, že táto neznáma forma hmoty je „temná“.

V tom čase ho považovali za výstredného a jeho teórie sa nebrali vážne. „Bol to len šialený teoretik, ktorému nesedeli výpočty, tak si vymyslel celkom novú formu hmoty,“ hovorí Massey.

Aj tie najžiarivejšie galaxie obsahujú temnú hmotu

Zwickyho práca upadla do zabudnutia až do 70. rokov 20. storočia, keď astronómka Vera Rubinová zistila, že neďaleké galaxie sa netočia správnym spôsobom.

V našej slnečnej sústave platí jednoduché pravidlo: čím ďalej je planéta od Slnka, tým slabšia gravitácia na ňu vplýva. V dôsledku toho sa táto planéta pohybuje pomalšie a trvá jej dlhšie prejsť svoju obežnú dráhu.

Rovnaká logika by mala platiť aj pre hviezdy, ktoré obiehajú stred galaxie. Najvzdialenejšie hviezdy by sa mali pohybovať pomalšie, keďže „ruka“ gravitácie na ne takmer nedosiahne.

Namiesto toho však Rubinová zistila, že najvzdialenejšie hviezdy sa pohybujú rovnako rýchlo ako hviezdy blízko k stredu galaxie.

Musí tam teda byť niečo, čo týmto vzdialeným hviezdam bráni uletieť preč. Zwicky predsa len vykročil správnou cestou.

Kopa galaxií NGC 2300 by mala byť obklopená temnou hmotou

Astronómovia dnes veria, že temná hmota je základom súčasného vesmíru.

Pred takmer 14 miliardami rokov, tesne po Veľkom tresku, sa vesmír začal rýchlo rozpínať a začali vznikať kopy galaxií.

Nerozpínal sa však dostatočne rýchlo na to, aby sa galaxie rozleteli do jeho vzdialených kútov. A to vďaka tomu, že temná hmota všetko „ukotvuje“, hoci je neviditeľná.

V istom zmysle slova je temná hmota ako vietor: priamo ju nevidíme, ale vieme, že je tam. A je jej veľa – tvorí asi 25 % vesmíru.

Čo je mätúce, niekedy sa hovorí, že temná hmota tvorí až 80 % všetkej hmoty vo vesmíre. A to preto, lebo len 30 % vesmíru tvorí hmota a väčšinu hmoty tvorí temná hmota. Zvyšok je energia.

Superzhluky galaxií (červenou) a prázdnota (modrou)

Prvé dôkazy existencie temnej hmoty prišli v 80. rokoch 20. storočia.

Napríklad, v roku 1981 tím, ktorý viedol Marc Davis z Harvardovej univerzity, uskutočnil jednu z prvých galaktických „prehliadok“. Zistili, že galaxie sa nevyskytujú v rovnomerných vzorcoch. Ako hovorí Carlos Frenk z Durhamskej univerzity v Spojenom kráľovstve, „neboli len tak roztrúsené ako ozdôbky na torte“.

Namiesto toho sa galaxie zhromažďujú do veľkých zhlukov, pričom každý obsahuje stovky tisíc galaxií. Vznikajú tak zložité vzorce známe ako „kozmická sieť“. Táto sieť je previazaná s temnou hmotou.

Inými slovami, temná hmota je ako kostra, na ktorej visí obyčajná hmota, tvrdí Carolin Crawfordová z Cambridgeskej univerzity v Spojenom kráľovstve. „Vieme, že sa musela nachádzať v ranom vesmíre. Bolo nevyhnutné, aby sa všetka tá hmota najprv zhromaždila, až potom sa mohla začať vyvíjať do štruktúr, ktoré vidíme dnes.“

Mapa temnej hmoty

Objav týchto zhlukov vyvolal senzáciu, tvrdí Frenk. Davis, jeho vtedajší nadriadený, ho vyzval, aby zistil, prečo sú galaxie usporiadané práve takto.

Keď sa Frenk pustil do svojho výskumu, zistil, že ktosi tvrdí, že ho v tom predbehol. V roku 1980 ruský tím, vedený V. A. Lyubimovom, prišiel s možným vysvetlením temnej hmoty. Tvrdili, že ju tvoria neutrína.

Dávalo to určitý zmysel. Neutrína sú temné, tak trochu prízračné častice, ktoré so svojím okolím takmer neinteragujú. Výskumníci navrhovali, že spojená hmota všetkých neutrín vo vesmíre by sa mohla rovnať chýbajúcej hmote.

Bol v tom však jeden háčik. Neutrína sú „horúcou temnou hmotou“, čo znamená, že sú svetlé a teda aj rýchle. Keď Frenk vytvoril simuláciu kozmu plného horúcej temnej hmoty, zistil, že by to nemohlo fungovať.

„Na naše veľké sklamanie, zistili sme, že vesmír s horúcou temnou hmotou vôbec nevyzerá ako reálny vesmír,“ hovorí Frenk. „Bol krásny, ale nie taký, v akom žijeme my. Obsahoval obrovitánsky superzhluk galaxií, o ktorom sme vedeli, že neexistuje.“

Namiesto toho musí byť temná hmota chladná a pomalá. Ďalším krokom bolo zistiť, čo je vlastne táto chladná temná hmota.

Všade samé galaxie

Hoci ju priamo nevidíme, temná hmota sa čímsi prezrádza: ohýba svetlo, ktoré cez ňu prechádza. Je to trochu, ako keď svetlo prechádza cez bazén alebo zamrznuté okno kúpeľne.

Tento efekt sa nazýva „gravitačná šošovka“ a vďaka nemu vieme zistiť, kde sa nachádzajú mračná temnej hmoty. S použitím tejto techniky vedci dokážu vytvoriť mapy temnej hmoty vo vesmíre.

Zatiaľ zmapovali iba malú časť. Jeden z tímov za takýmito projektmi si dal za cieľ zmapovať jednu osminu vesmíru, čo zahŕňa milióny galaxií. Pre lepšiu predstavu: naša galaxia Mliečna cesta obsahuje miliardy hviezd a možno až 100 miliárd planét.

Vytvorené mapy sú ešte ako príliš hrubé náčrty, takže neobsahujú detaily. Je to ako tvrdiť, že máme základnú predstavu o tom, čo sú kontinenty na Zemi, ale v skutočnosti sa zaujímame o tvar kopcov a jazier, hovorí Gary Prezeau z NASA, konkrétne z Laboratória prúdového pohonu na Kalifornskom technologickom inštitúte.

No máme aspoň hmlistú predstavu o tom, kde sa temná hmota nachádza. Stále však nevieme, čo to vlastne je.

Temná hmota (červenou), svetlo (žltou) a galaxie (modrou)

Existuje niekoľko teórií, ale v súčasnosti je najpopulárnejším návrhom to, že temnú hmotu tvorí akási neznáma častica, ktorú opisuje teória, ale nikdy ju nik nezachytil. Tieto častice sa nazývajú WIMP-y: slabo interagujúce masívne častice (weakly interacting massive particles).

WIMP-y sú slabé v každom zmysle slova, tvrdí Anne Greenová z Nottinghamskej univerzity v Spojenom kráľovstve. Po prvé, sotva interagujú navzájom, ani nehovoriac o bežnej hmote. Keď vrazíte do steny, vaša ruka sa s ňou zrazí, ale keď WIMP vrazí do steny alebo do seba samého, zvyčajne prejde skrz.

Druhá časť skratky hovorí sama za seba. WIMP-y majú veľa hmoty, hoci nie sú nevyhnutne veľké. Možno vážia stovky či tisíce ráz viac než protón, tvrdí Greenová.

Problém je v tom, že nevieme.

Výraz „WIMP“ je len fráza a mohol by zahŕňať mnoho rôznych typov častíc, hovorí Massey. Čo je horšie, keďže sú údajne také prízračné, je veľmi ťažké zachytiť ich.

V tomto bode možno bezradne rozhadzujete rukami. „Najprv sa rozhodli, že existuje všetka tá neviditeľná hmota, a teraz usúdili, že ju tvoria akési nové častice, ktoré nedokážu zachytiť! Je to hlúposť.“ Nuž, neboli by ste prví, kto to tvrdí.

Galaxie sú bohaté na temnú hmotu

Už v roku 1983 boli niektorí fyzici presvedčení, že temná hmota vôbec nejestvuje. Mysleli si, že naše zákony gravitácie sú skrátka mylné a preto sa galaxie správajú tak zvláštne. Táto teória sa nazýva MOND: modifikovaná newtonovská dynamika (Modified Newtonian Dynamics).

„Snažíme sa vysvetliť všetky tie vesmíre kolotoče, to, ako sa pohybujú a ako ich ovplyvňuje gravitácia, a pritom predpokladáme, že vieme, ako gravitácia funguje,“ vraví Massey. „Možno sme pochopili gravitáciu nesprávne a preto zle interpretujeme dôkazy.“

Massey tvrdí, že problém je v tom, že priaznivci teórie MOND neprišli so žiadnou alternatívou temnej hmoty: ich nápady nedokážu vysvetliť dáta. „Každý, kto chce vytvoriť teóriu gravitácie, musí byť lepší než Einstein a vysvetliť všetko, čo vysvetlil on, a taktiež objasniť temnú hmotu.“

V roku 2006 NASA zverejnila veľkolepý obrázok, ktorý z pohľadu mnohých výskumníkov nadobro vyvrátil teóriu MOND.

Takzvaný zhluk „Bullet Cluster“ prináša potvrdenie existencie temnej hmoty

Na obrázku sa nachádzajú dve obrovské kopy galaxií, ktoré sa zrážajú. Keďže väčšinu hmoty vidíme v strede, práve to je miesto, kde by sme očakávali najväčšie množstvo gravitácie.

Vonkajšie oblasti však vykazujú svetlo, ktoré tiež ohýba gravitácia, z čoho vyplýva, že sa v nich nachádza ešte ďalšia forma hmoty. Obrázok vyzdvihli ako priamy dôkaz existencie temnej hmoty.

Ak je to pravda, sme späť na začiatku. Najväčšia výzva je nájsť temnú hmotu, keďže nevieme, čo presne hľadáme.

Možno to znie ako hľadať ihlu v kope sena, ale v skutočnosti jestvujú tri spôsoby, ako ju nájsť.

Superzhluk galaxií Laniakea obsahuje aj našu Mliečnu cestu

Prvý spôsob je pozorovať prejavy temnej hmoty vo vesmíre. Sledovaním temnej hmoty a porovnaním s vytvorenými mapami temnej hmoty astronómovia dokážu zachytiť občasné zrážky.

Častice temnej hmoty zväčša prechádzajú normálnou hmotou. Ich obrovské množstvo však nasvedčuje tomu, že zriedka môže dôjsť k ich zrážke s jadrom atómu.

Keď sa tak stane, temná hmota „kopne“ do atómu a odrazí ho ako biliardovú guľu. Takáto zrážka by mala vytvoriť gama lúče – extrémne vysokoenergetické svetlo. Za takýchto špecifických okolností „môže temná hmota žiariť“, tvrdí Frenk.

„Uskutočňujú sa experimenty, ktorých cieľom je priamo zaznamenať takéto jadrové odrazy,“ vraví Greenová.

Gama lúče, možno vychádzajúce z temnej hmoty, ktorá sa zrazila s normálnou hmotou v strede galaxie

V roku 2014 sa výskumníkom podarilo s pomocou silného Fermiho teleskopu z NASA zachytiť gama lúče vytvorené takýmito zrážkami. Objavili oblasť v Mliečnej ceste, ktorá priam žiari gama lúčmi pravdepodobne vychádzajúcimi z temnej hmoty.

Tieto vzorce zapadajú do teoretických modelov, no ešte nie je stopercentne potvrdené, či gama lúče skutočne pochádzajú z temnej hmoty. Takisto by mohli vzniknúť v energetických hviezdach zvaných pulzary či vo vybuchujúcich hviezdach.

Rovnako ako by sa mohla zraziť s normálnou hmotou, temná hmota by sa takisto mohla zrážať sama so sebou – a aj to dokážeme zaznamenať.

Masseyho tím nedávno zachytil galaxie, ktoré sa zrážajú. Očakávali, že všetka temná hmota v galaxiách prenikne skrz-naskrz, ale namiesto toho sa jej časť iba spomalila a zaostala za galaxiou, ku ktorej patrila.

Nasvedčuje to tomu, že interagovala s inou temnou hmotou. „Ak k tomu došlo, je to prvý dôkaz, že temnej hmote tak trochu záleží aj na zbytku sveta,“ vraví Massey.

Obe tieto metódy však majú nedostatky: nedá sa zobrať mračno temnej hmoty o veľkosti galaxie a pozrieť sa naň pod mikroskopom. Sú priveľké a sú priďaleko.

Druhý spôsob, ako zachytiť temnú hmotu, spočíva v jej vytvorení.

Vnútri Veľkého hadrónového urýchľovača

Fyzici dúfajú, že sa im to podarí vďaka časticovým urýchľovačom, ako je napríklad Veľký hadrónový urýchľovač (LHC – Large Hadron Collider) v švajčiarskej Ženeve.

LHC rozbíja protóny vo vzájomných zrážkach rýchlosťami blížiacimi sa rýchlosti svetla. Tieto zrážky sú také silné, že dokážu rozbiť protóny na ich základné zložky. Následne sa skúmajú subatomárne úlomky.

Počas takýchto silných zrážok by bolo podľa Malcolma Fairbairna z King's College London v Spojenom kráľovstve možné objaviť nové častice ako WIMP-y.

„Ak WIMP-y skutočne tvoria temnú hmotu a my ich objavíme v LHC, máme dobrú šancu, že prídeme na to, z čoho sa temná hmota vo vesmíre skladá,“ tvrdí.

Mliečna cesta – náš domov

Ak však temná hmota nie je ako WIMP-y, LHC ju nezameria.

Je tu ešte ďalší háčik. Ak aj v LHC vytvoria temnú hmotu, detektory ju nezachytia.

Namiesto toho systém možno objaví skupinu častíc, ktoré sa hýbu jedným smerom, ale druhým smerom sa nebude hýbať nič, hovorí Fairbairn. Mohlo by sa tak stať iba vtedy, ak by sa pohybovalo dačo, čo detektory nedokážu zaznamenať. „Mohla by to byť častica temnej hmoty.“

Ak nebude fungovať ani toto, fyzici môžu vyskúšať ešte tretiu možnosť: cestovať hlboko do podzemia.

Vnútri takzvaného detektoru DRIFT, ktorý by mal zachytiť temnú hmotu

Vedci v starých baniach a vo vnútri kopcov čakajú na tie výnimočné okamihy, keď sa WIMP-y zrazia s normálnou hmotou – na rovnaké zrážky, aké možno Fermiho teleskop zaznamenal vo vzdialenom vesmíre.

Každú jednu sekundu prechádzajú cez nás miliardy častíc temnej hmoty. „Sú vo vašej kancelárii, vo vašej izbe, všade,“ tvrdí Frenk. „Prechádzajú vaším telom v miliardách za jedinú sekundu a nič pritom necítite.“

Teoreticky by sme mali byť schopní zaznamenať nenápadné záblesky gama lúčov, vytvorené týmito zrážkami. Problém je v tom, že rovnako nami prechádza veľa iných vecí, vrátane žiarenia vo forme kozmických lúčov, čo narúša signál temnej hmoty.

Práve preto sa realizujú podzemné experimenty: množstvo kameňa blokuje väčšinu žiarenia, prepúšťa však temnú hmotu.

Väčšina fyzikov sa zhoduje na tom, že detektory zatiaľ nezaznamenali žiadne presvedčivé signály. V auguste 2015 vyšiel článok o tom, že detektor XENON100 v talianskom Národnom laboratóriu v Gran Sasse nič nezachytil.

Niekoľkokrát sa objavil aj falošný poplach. Iný tím z rovnakého laboratória použil iný detektor a roky tvrdil, že takzvaný experiment DAMA zachytil temnú hmotu. Skutočne to vyzerá tak, že niečo zachytili, ale fyzici tvrdia, že to nie sú WIMP-y.

Kopa galaxií Pec, ktorú drží pohromade temná hmota

Niektorý z týchto detektorov či LHC možno zachytí temnú hmotu. Nájsť ju na jednom mieste však nebude stačiť.

„Nakoniec budeme musieť nájsť temnú hmotu na viacerých miestach, aby sme si boli istí, že to, čo pozorujeme v laboratóriu, je to isté, čo sa nachádza v ďalekých galaxiách,“ hovorí Fairbairn.

Nateraz ostáva väčšina vesmíru temná a nie je jasné, ako dlho ešte taká ostane.

Niektorí kozmológovia vrátane Frenka majú nádej, že počas nasledujúceho desaťročia sa nám podarí získať nové informácie. Ďalší, ako Greenová, nie sú o tom až takí presvedčení. Ak LHC čoskoro niečo nenájde, podľa nej hľadáme nesprávnu vec.

Prešlo viac ako 80 rokov, odkedy Zwicky po prvýkrát navrhol existenciu temnej hmoty. Za celý ten čas sa nám nepodarilo získať jedinú vzorku či pochopiť, čo to vlastne je.

Je to pokorujúca pripomienka toho, ako ďaleko sme ešte od ozajstného pochopenia vesmíru. Môžeme rozumieť mnohým veciam, počnúc začiatkom vesmíru a končiac vývojom života na Zemi. Väčšina nášho vesmíru je však stále čiernou skrinkou, ktorej tajomstvá ešte len čakajú na odomknutie.