10 největších záhad vesmíru: Co vyvolává gravitaci? Jakou teplotu má temná hmota? A existují bílé díry?
Kosmos je plný tajemství. Některé z jeho záhad se nám už podařilo odhalit, jiné na své vysvětlení čekají. A mnohé další otázky stále přibývají
Ztracená antihmota
- Kam se poděla téměř všechna antihmota?
Odborníci předpokládají, že hmota a antihmota vznikly na samém počátku vesmíru, navíc prakticky ve stejném množství. Zároveň se ovšem dnes zdá, že kosmos, který dokážeme pozorovat, je téměř zcela tvořen hmotou, a nikoliv antihmotou. Kam se tedy veškerá antihmota poděla?
V současné době zvažují vědci dvě možnosti: Buď byla zničena v jediné sekundě po svém vzniku ve víru Velkého třesku, nebo se během zrodu a vývoje vesmíru z nějakého důvodu ocitla daleko mimo náš dosah. Prostor viditelný pro astronomy by se tak celý nacházel uvnitř zóny hmoty a o oblasti antihmoty bychom nic nevěděli.
První varianta, tedy zničení antihmoty bezprostředně po Velkém třesku, by mohla být důsledkem například původně jen nepatrné asymetrie mezi vlastnostmi částic hmoty a antihmoty. Týmy fyziků pracující na urychlovačích částic se nyní usilovně snaží zjistit, zda se popsaný scénář skutečně mohl odehrát.
Druhou zmíněnou možností se zabývají pokusy na vysoko letících balonech a v kosmickém prostoru, jako je například experiment AMS-02 neboli Alpha Magnetic Spectrometer. Tento pokusný modul pro částicovou fyziku je nainstalován na vnější straně ISS: Smyslem pokusu je pátrat po temné hmotě a také po antihmotě z počátků vesmíru mezi částicemi kosmického záření.
Neviditelná síla
- Může z černé díry uniknout záření a můžeme jej pozorovat?
První černou díru objevili vědci asi před 40 lety. Dnes známe těchto pozoruhodných extrémních objektů spoustu, v mnoha různých velikostech: Některé jsou hmotné jako hvězdy, jiné se hmotností blíží spíš galaxiím. Všechny však pozorujeme nepřímo, jen díky záření vydávanému pohlcovanou hmotou, která v blízkosti černé díry zažívá extrémní podmínky.
Pro astronomy donedávna představoval svatý grál snímek bezprostředního okolí černé díry, na němž by bylo patrně možné pozorovat tok hmoty a další jevy u těchto stále záhadných vesmírných monster. A v roce 2019 se odborníci první takové fotografie skutečně dočkali. Fyzikální teorie přitom tvrdí, že z nitra černé díry nemůže uniknout vůbec nic, tedy ani světlo. Na pomezí černých děr u horizontu událostí se však dost možná odehrávají procesy, které popisuje Stephen Hawking i další fyzici: Zřejmě během nich vzniká záření, jež bychom snad mohli zachytit novou generací astronomických přístrojů.
Vesmírné zrychlovače
- Proč kosmické lodě v blízkosti Země zrychlují?
Již řadu let víme, že vesmírné lodě při průletu kolem Země z nejasných důvodů zrychlují. Spolehlivé vysvětlení nám chybí, možných odpovědí však existuje několik: Zahrnují například vliv odporu zemské atmosféry, slapové pohyby oceánu či hmoty uvnitř planety, ovlivnění elektrického náboje a magnetického pole lodi slunečním větrem, tepelné záření, rotaci Země nebo nějaký dosud nepopsaný fyzikální jev. Mluví se rovněž o halu temné hmoty, tedy o oblaku zatím neznámých částic, jenž by mohl naši planetu obklopovat.
Je také zvláštní, že tento fenomén – anglicky nazývaný „flyby anomaly“ – zmizel počínaje průlety kolem Země v roce 2005. Například evropská sonda Rosetta na cestě ke kometě 67P/Čurjumov–Gerasimenko nejprve při průletu kolem naší planety v březnu 2005 takové anomální zrychlení zaznamenala; zatímco v listopadu 2009 – kdy si vědci připravili velice přesná sledování dráhy automatu, aby zmíněnému jevu přišli na kloub – se již záhadné zrychlení neobjevilo. Nezaznamenala ho ani americká sonda Juno, která Zemi míjela v roce 2013 při cestě k Jupiteru.
Einsteinův omyl
- Co je to temná energie?
Astronomové nedávno zjistili, že se náš vesmír nejen rozpíná, ale že jeho expanze ve skutečnosti zrychluje. Aby vědci zmíněný fenomén vysvětlili, přišli s teorií existence energie, která pozorované zrychlené rozpínání kosmu pohání. Tzv. temná energie, anglicky „dark energy“, by měla tvořit asi tři čtvrtiny veškeré energie ve vesmíru.
Odborníci však stále váhají, zda vůbec existuje, a zatím ani netuší, co by mohlo tvořit její podstatu: Podle dnešních představ připomíná kosmologickou konstantu, kterou kdysi vymyslel Albert Einstein, načež ji prohlásil za svůj největší omyl. Kosmologická konstanta přitom označovala hustotu energie ve vakuu. Až do objevu zrychleného rozpínání vesmíru si vědci mysleli, že je taková energie – tedy kosmologická konstanta – nulová. Nyní to ovšem zdaleka není jisté.
Osudová přitažlivost
- Co vyvolává gravitaci?
Gravitace je jednou ze základních fyzikálních sil ve vesmíru. Všechno, co má hmotnost, má rovněž gravitaci, tedy přitažlivou sílu – hvězdy, planety i lidé. Velikost přitažlivé síly roste s blízkostí hmotného objektu a také s jeho hmotností: Gravitace Země udrží lidi a vše ostatní na povrchu planety; gravitace Slunce udrží Zemi a další tělesa naší soustavy na oběžné dráze. Matematiku gravitace popsal již v 17. století Isaac Newton. Einstein přišel před sto lety s tvrzením, že bychom měli gravitaci chápat spíš jako zakřivení časoprostoru.
Stále přitom nevíme, co je její podstatou ani zda existují nějaké částice – gravitony – jež by tuto sílu zprostředkovávaly. Netušíme, proč je gravitace mnohem slabší než ostatní základní síly: Například dětský magnet dokáže vyvinout větší elektromagnetickou sílu, než je síla gravitace celé Země. Záhadou také zůstává, proč je gravitace tak exaktně „vyladěná“ – její síla totiž přesně postačuje ke vzniku hvězd a galaxií, aniž by se vzápětí gravitačně zhroutily.
Hvězdná energie
- Kde se bere kosmické záření?
Kosmické záření sestává z elektricky nabitých částic, které se řítí vesmírem rychlostí blízkou rychlosti světla: Část jich přichází od Slunce, zbytek z okolního kosmu. Částice kosmického záření tvoří většinou jádra atomů nejlehčích prvků, konkrétně vodíku a helia. Mohou v něm však být také jádra dalších, těžkých elementů, jako je železo nebo i uran. Malý díl zahrnuje elektrony a subatomární částice a zcela nepatrné množství představují antičástice – pozitrony (tedy antielektrony) a antiprotony.
Podle našich současných znalostí vznikají částice kosmického záření hlavně při explozích supernov a při podobných jevech, a rovněž při hvězdných erupcích. Protože jsou tyto částice elektricky nabité, usměrňují jejich dráhu magnetická pole, jichž se ve vesmíru nachází mnoho. Proto je pro vědce velmi obtížné určit, odkud která částice přiletěla. Kosmické záření není k životu příliš přívětivé, na Zemi nás ovšem před ním chrání magnetické pole naší planety i její atmosféra.
Ztraceni v čase
- Jak velký je vesmír?
Určit skutečnou velikost vesmíru je velice obtížné. Důvod tkví především v tom, že hlavní metodou zkoumání a také měření kosmu je pozorování světla, tedy elektromagnetického záření. A světlo jako takové má svá omezení, například nepřekročitelnou rychlost. Existují tudíž oblasti, odkud k nám záření nestačilo doletět za celou dobu existence vesmíru. Tzv. pozorovatelný vesmír, který můžeme alespoň teoreticky spatřit astronomickými přístroji, je podle velmi přibližných vědeckých odhadů asi 250krát menší než celý kosmos; jeho objem se přitom rovná těžko představitelným 420 bilionům krychlových světelných let.
Převrácený obraz
- Existují bílé díry?
Černé díry jsou jako gravitační bažina: Co v nich uvázne, to se už nikdy nedostane ven. Dnes jich známe na základě nepřímých pozorování velké množství. Podle řady vědců však existují i tzv. bílé díry (anglicky „white hole“), jež by měly fungovat jako převrácený obraz svých černých protějšků. Měly by mít sice nějakou hmotnost, a tudíž i gravitaci; nicméně od určité hranice, která je zrcadlovým obrazem horizontu událostí, by se nic nemohlo dostat dovnitř. Bílá díra by naopak měla vyvrhovat hmotu ven. Je ovšem otázkou, kde by se takový materiál bral.
Podle některých představ mohou být bílé díry s těmi černými propojeny: buď v prostoru prostřednictvím průchozích červích děr, nebo – podle novějších názorů – v čase. Zatím totiž není jasné, jak černé díry zanikají. Jedna z možností zní, že se za určitých okolností působením kvantových efektů překlopí do podoby bílé díry. Astronomové nyní pátrají po objektech, jež by mohly představovat bílou díru.
Chladno ve vesmíru
- Je temná hmota horká, nebo chladná?
O temné hmotě nevíme téměř nic a dohadujeme se i o jejích základních vlastnostech. Pokud jde o její „teplotu“, mají vědci na mysli rychlost dosud neznámých částic temné hmoty. Částice tzv. studené temné hmoty – pakliže vůbec existují – se od doby, kdy byl náš vesmír starý přibližně rok, pohybují mnohem pomaleji než světlo. Částice horké temné hmoty by se naopak dodnes pohybovaly rychlostmi blízkými světlu.
Vědci se v současnosti kloní k názoru, že je temná hmota víceméně vlažná a že tvoří shluky, v nichž vznikají galaxie – včetně Mléčné dráhy. Řada odborných týmů se v rámci různých experimentů snaží objevit částice chladné temné hmoty. Možných kandidátů je víc, přičemž největší šance se přisuzují tzv. WIMPům (z anglického „Weakly Interacting Massive Particles“) neboli slabě interagujícím těžkým částicím. Zatím je však nikdo neobjevil.
Nejkrásnější planeta
- Jak přišel Saturn ke svým prstencům?
Planety s prstenci jsou fascinující. Dnes už víme, že své prstence má ve Sluneční soustavě nejen Saturn, ale i další plynní obři. Nedávné objevy také ukazují, že ve vesmíru nepředstavují tyto útvary nic zcela výjimečného. Jak ovšem vznikají?
Vědci se domnívají, že u Saturnu jde o pozůstatky velkého ledového tělesa nebo těles, která se zformovala někde jinde a později byla roztrhána slapovými silami, když se ocitla příliš blízko u planety. V jednom z možných scénářů se k Saturnu přiblížil měsíc podobný Titanu, slapové síly z něj otrhaly ledový obal a postupným srážením a drcením ledu z něho vymodelovaly krásné prstence. Trosky kamenného jádra souputníka pak nejspíš dopadly na Saturn a obrovská hmota planety je pohltila.
TIP: Nejen Saturn: Mars měl možná vícekrát v minulosti vlastní prstence
Podle jiné představy se k Saturnu dostal rozměrný objekt z Kuiperova pásu, ohromného seskupení ledových těles různých velikostí za oběžnou dráhou Neptunu. Slapové síly ho pak opět mohly roztrhat a vytvořit z něj prstence. Ve hře je i kosmická srážka, při níž by měsíc Saturnu zasáhla velká kometa, načež by se obě tělesa rozpadla a prstence by vznikly z jejich drti. Zatím však nevíme, která z uvedených variant je pravdě nejblíž.
