Temná energie: Co víme a nevíme o tajemné vesmírné substanci?

Vroce 1994 se astronom Nicholas Suntzeff z Cerro Tololo Inter-American Observatory v Chile a astrofyzik Brian Schmidt z amerického Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics – specialisté na studium supernov – rozhodli využít svou odbornost ke zodpovězení jedné ze základních otázek kosmologie: Jaký bude osud našeho vesmíru? Zhruba ve stejné době se tutéž otázku a stejným způsobem, tedy na základě pozorování supernov, odhodlal rozlousknout i výzkumný tým kalifornské Lawrence Berkeley National Laboratory, vedený fyzikem Saulem Perlmutterem. Na rozdíl od Suntzeffa a Schmidta se však zmínění badatelé věnovali spíš fyzikální stránce věci.

Vědci se tehdy víceméně shodovali, že náš vesmír vznikl v obtížně pochopitelné explozi Velkého třesku a že se od té doby rozpíná. Zásadní neznámou zůstávalo, jak se bude vyvíjet dál. Předpokládalo se, že by se mohl rovnoměrně rozpínat donekonečna. Druhá zvažovaná možnost zněla, že se bude expanze postupně zpomalovat a může se překlopit do smršťování – možná až do Velkého třesku naruby, kdy se vše srazí do jediného bodu. 

V roce 1998 pak oba týmy nezávisle na sobě dospěly k témuž závěru: K velkému překvapení všech zúčastněných vyšlo najevo, že se vesmír nerozpíná rovnoměrně a že jeho expanze ani nezpomaluje – právě naopak. Pro kosmologii se jednalo o velmi revoluční objev, srovnatelný s poznáním, že Země netvoří střed vesmíru.

Konečně odpovědi

Navzdory šoku přijala odborná komunita zmíněné výsledky vcelku ochotně. I vědci totiž bývají poměrně konzervativní a podobně převratné objevy se mnohdy neprosazují příliš snadno. Pět měsíců po přelomovém zjištění se ve Fermilabu v illinoiské Batavii konala konference, kde odborníci o překvapivých novinkách diskutovali. Na konci akce pak měli přítomní vyjádřit svůj názor v rámci hlasování – které není ve vědě úplně běžné, ale občas k němu zejména u takto významných a nečekaných objevů dochází. Dvě třetiny účastníků se tehdy vyjádřily pro přijetí daných výsledků. Akceptovali tak existenci temné energie coby síly, jež pohání rozpínání vesmíru. Anglický pojem dark energy vymyslel kosmolog Michael Turner z University of Chicago.

Významnou roli v nezvykle rychlém přijetí převratného odhalení, které otřáslo tehdejší kosmologií v základech, přitom sehrály sociologické faktory. Vědecká komunita sledovala odborný souboj dvou týmů, jež pracovaly nezávisle na sobě, s různými daty, a přesto dospěly k témuž závěru. Všichni přitom viděli, jak intenzivně spolu obě skupiny soupeří. A věděli, že v takové situaci každá z nich usilovně doufá v odlišné výsledky, jež by výzkum soupeřů zpochybnily. Proto byla jejich finální shoda pro ostatní vědce velmi přesvědčivá. 

Nečekané závěry navíc zodpověděly některé palčivé otázky kosmologie, například jak se může vesmír jevit mladší než nejstarší známé hvězdy nebo jak mohl kosmos plný obrovských struktur včetně nadkup galaxií „dozrát“ tak brzy. Zrychlující expanze popsané otazníky odstraňuje. Znamená to, že se vesmír v minulosti rozpínal pomaleji než dnes, a že tedy od Velkého třesku uplynulo víc času, než jsme se domnívali.

Záhada řídkého vesmíru

Asi nejpádnější argument pro kosmology ovšem zněl, že temná energie řeší záhadu řídkého vesmíru. Podle převládajících představ se totiž kosmos v kratičkém zlomku sekundy po Velkém třesku nepředstavitelně nafouknul, díky ne zcela jasnému mechanismu kosmologické inflace. A ta zajistila, že je vesmír homogenní neboli ve všech směrech zhruba stejný. V takovém případě by měl být v geometrickém smyslu plochý, nikoliv zakřivený, a jeho hustotní parametr Ω by se měl rovnat jedné. Jde přitom o poměr mezi pozorovanou hustotou kosmu a teoretickou kritickou hustotou, jež mu brání se zhroutit do sebe.

Pozorování v době před objevem temné energie však ukazovala, že vesmír dosahuje sotva třetiny kritické hustoty, a je tedy mnohem řidší. Pouze necelých 5 % kritické hustoty pak představovala běžná látka, zatímco asi 20 % odpovídalo temné hmotě, jejíž podstatu dodnes neznáme a víme o ní jen díky gravitačnímu působení na okolí. Zmíněný objev potom rovnici doplnil o chybějící hustotu hmoty a energie ve vesmíru, která od té doby odpovídá temné energii.

Záření z celé oblohy

Časem se objevily i empirické důkazy, jež hovoří ve prospěch existence temné energie a jejího vlivu na vesmír. Význačné místo mezi nimi pak zaujímají výsledky studia reliktního záření. Když asi 380 tisíc let po Velkém třesku poklesla teplota vesmíru zhruba na 3 000 K, spojily se do té doby volné elektrony s tehdejšími atomovými jádry převážně vodíku či helia a vznikla hmota tvořená stabilními atomy. Během toho došlo k vyzáření fotonů, které dodnes létají kosmem: Detekujeme je jako reliktní mikrovlnné záření, jehož teplota v současnosti činí asi 2,73 K a které k nám přichází z celé oblohy.

Jeho analýzy a další pozorování v posledních letech přitom naznačují, že temná energie opravdu existuje – což se již samo o sobě považuje za úspěch (viz také Potvrzená očekávání). Skutečně trýznivý problém ovšem znamená pátrání po její podstatě. Navzdory intenzivnímu úsilí teo­retických kosmologů stále netušíme, co temná energie představuje. Mezi klíčové kandidáty patří kosmologická konstanta, tedy zvláštní koeficient původně zavedený a poté opět odmítnutý Albertem Einsteinem. Geniální fyzik chtěl jeho prostřednictvím vyvážit vliv gravitace, aby udržel vesmír ve statické podobě, jež korespondovala s tehdejší převládající představou. Zavrženou kosmologickou konstantu, která vlastně odpovídá energii prázdného prostoru čili vakua, vzkřísil až objev temné energie.

Katastrofa vakua a nestandardní svíčky

S kosmologickou konstantou se nicméně pojí pozoruhodný problém, známý též jako katastrofa vakua. Podle kvantové teorie pole by totiž měla být energie vakua mnohonásobně vyšší, než naznačují pozorování. Rozdíl přitom v závislosti na pojetí odhadů dosahuje asi 60–120 řádů a fyzikové vtipkují, že jde o nejhorší teoretickou předpověď v historii jejich oboru. Vědci proto po podstatě temné energie pátrají dál a dosud byly publikovány doslova tisíce teo­rií, jež se ji snaží vysvětlit. Podle Richarda Ellise z University College London, který se podílel na původním objevu záhadné substance, se však prý v jejím pochopení posuneme kupředu jedině díky přesnějším pozorováním a analýzám. Musíme totiž přesvědčivě zjistit, jak se temná energie chová – třeba jestli se mění v prostoru a v průběhu času.

Pomoct by mohlo například další pozorování supernov typu Ia, které slouží jako tzv. standardní svíčky pro měření vzdáleností ve vesmíru a v objevu temné hmoty sehrály klíčovou roli. Jde vlastně o exploze bílých trpaslíků v těsných hvězdných systémech, poté co vysají určité množství hmoty ze svého protějšku. V posledních letech ovšem jejich hodnota pro určování kosmických vzdáleností v očích odborníků dle Ellise poněkud klesla. Podle tehdejších představ měli totiž bílí trpaslíci explodovat vždy stejným způsobem, jakmile nashromáždí přesně dané limitní množství hmoty. Dnes je však prakticky jisté, že existuje víc mechanismů výbuchů supernov typu Ia – což bohužel znamená, že zmíněné standardní kosmologické svíčky nejsou až tak standardní.

Vlny v horké polévce

Existují každopádně i další možnosti studia temné energie: Tzv. baryonové akustické oscilace podobné zvukovým vlnám vznikly, když se v horké a chaotické „polévce“ raného kosmu od sebe navzájem odrážely baryony, tedy především protony a neutrony. Jakmile pak vesmír vychladl natolik, aby se vytvořily atomy, vlny baryonových akustických oscilací „zamrzly“. Právě tehdy se do kosmu uvolnilo reliktní záření, baryonové akustické oscilace se do něj „otiskly“ a zůstávají v něm patrné dodnes. Jejich analýzy jsou sice komplikovanější než u supernov typu Ia, vědci je však mohou využít jako další typ standardních svíček k měření vzdáleností v hlubokém kosmu. Ellis přitom považuje daný přístup za nejvěrohodnější při sledování historie kosmické expanze.

Další stopu k podstatě temné energie nabízí výzkum gravitačních čoček. Když gravitace velmi hmotného objektu ohýbá časoprostor a s ním i dráhy světelných paprsků, vzniká gigantická varianta optické čočky, jež z našeho pohledu zvětšuje obraz objektů v pozadí. Zmíněný jev předpověděl již Einstein a dnes hojně slouží k pozorování vzdáleného vesmíru. 

Velmi užitečná data pak už brzy nabídne evropský kosmický teleskop Euclid, jehož hlavním cílem je právě studium temné hmoty a temné energie. Další pozorování supernov, analýza baryonových akustických oscilací a výzkum gravitačních čoček mohou chování temné energie určit násobně přesněji. Možná se však jejich výsledky budou rozcházet, protože se mýlíme v některém ze základních předpokladů – třeba v chápání gravitace. Ať tak či tak, půjde o další krok k porozumění temné energii a osudu celého vesmíru, který se s její povahou pevně pojí.