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

Fenomén neznámé a zatím nedetekované materie fascinuje astrofyziky již od roku 1932, kdy se jí poprvé „dotkl“ nizozemský astronom Jan Hendrik Oort. Poté ji jeho švýcarsko-americký kolega Fritz Zwicky pojmenoval jako temnou hmotu, protože oproti „svítící“ látce hvězd jednoduše nebyla vidět.

Pátrání po ní pokračuje i dnes: O její povaze existuje množství teorií a většina se shoduje, že ji lze ve vesmíru pozorovat jen díky gravitačnímu vlivu na okolní objekty, tvořené běžnou hmotou. A proč badatelům nedá spát? Na to jsme se zeptali světově uznávaného astrofyzika a zároveň českého rodáka z Jindřichova Hradce Pavla Kroupy, profesora Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität v Bonnu a také hostujícího profesora Astronomického ústavu Univerzity Karlovy v Praze.

Často hovoříte o tom, jak moc máte Česko rád. Proč a kdy jste ho musel opustit? 

Jižní Čechy a konkrétně Jindřichův Hradec, odkud pocházím, se mi bohužel staly domovem jen na necelých pět let. Události roku 1968 mé rodiče natolik vyděsily, že se rozhodli emigrovat. Většinu života jsem tak strávil v Německu, Jihoafrické republice, Austrálii a Anglii. Přesto mohu s naprostou jistotou nazvat krajinu Čech jednou z nejkrásnějších, jaké jsem kdy viděl. Připadá mi tak přirozená, harmonická a klidná se všemi svými rybníky, lesy a poli, ozdobená korálky mohutných hradů, malebných zámků a pohledných vesniček. Taková se dnes v Evropě vyskytuje už jen velmi zřídka. Vidím, že jsem vás svými poetickými slovy poněkud zaskočil. Zřejmě jste takové vyznání od astrofyzika nečekala…

I když vědecké poznání vesmíru značně pokročilo, z velké části pro nás kosmos zůstává záhadou. Co o něm vlastně víme a podle jakého fyzikálního modelu jej posuzujeme? 

V současné době představuje nejuznávanější teorii takzvaný standardní kosmologický model neboli ΛCDM. Je dobře podložen pozorováním a obsahuje nenulovou kosmologickou konstantu – což znamená, že je vesmír v pohybu a rozpíná se. Zahrnuje také chladnou temnou hmotu. V daném modelu však existují poměrně zásadní problémy a zdaleka nedokáže vysvětlit podstatu pozorovaného chování kosmu. 

Jaké je tedy podle něj rozložení hmoty ve vesmíru? 

Na základě nejnovějších měření se uvádí, že náš kosmos tvoří zhruba z dvaceti tří procent temná hmota, jež nám zůstává skrytá a neumíme ji sledovat napřímo. Látka, kterou důvěrně známe a z níž sestávají planety, galaxie, ale třeba i my sami, představuje pouhá 4,8 procenta. V součtu se tedy stále jedná asi jen o dvacet osm procent. Zbytek nejspíš připadá na ještě tajemnější temnou energii. Takže všechno, čím jsme se dosud zabývali – přičemž jsme věřili, že máme v záběru celý svět – se náhle ohromně smrsklo. Většinu kosmu prostě dodnes neznáme a jeho existenci musíme dovozovat z výpočtů. 

Mezi prvními se temné hmotě věnoval švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky. Mohl byste nám jeho teorii přiblížit? 

Zwicky pozoroval kupy galaxií v souhvězdí Vlasů Bereniky. Při svých experimentech měřil rychlosti jednotlivých hvězdných ostrovů a snažil se zjistit hmotnost kupy. Jenže aby se dané galaxie pohybovaly rychlostí, jakou pozoroval, musely by být čtyřistakrát těžší, než odpovídalo naměřeným údajům. Uvedený nesoulad ho přivedl na myšlenku existence nějaké jiné formy látky, než jakou dokážeme pozorovat. Neznámou a zatím nedetekovanou materii pak nazval temnou hmotou. 

Jak by ji bylo možné nejlépe popsat? 

Říká se jí také „skrytá“. Jedná se o označení hypotetické formy látky, kterou nevidíme, přičemž ani nevydává elektromagnetické záření. Její existence by však vysvětlovala nesrovnalosti mezi tím, co jsme v nějakém modelu schopni spočítat, a tím, co skutečně dokážeme pozorovat. O povaze chybějící hmoty existuje množství teorií a většina z nich se shoduje, že ji lze ve vesmíru sledovat jen díky gravitačnímu vlivu na okolní viditelné objekty – tedy hvězdy či galaxie. 

Můžeme pod temnou hmotu zahrnout například černé díry, které také nejsou vidět?  

Sice je nevidíme, ale můžeme je detekovat pomocí jiných jejich projevů – například díky kvantověmechanickým procesům, jež způsobují vyzařování v bezprostředním okolí černých děr. V podstatě jsou natolik hmotné, že je nemůže opustit nic, ani světlo. Astronomům se v minulosti dlouho nedařilo je na obloze najít. A teprve loni desátého dubna byla na tiskové konferenci zveřejněna první fotografie černé díry, díky čemuž lze nyní chování těchto objektů podrobněji zkoumat. Dnes se považuje za prokázané, že se nacházejí v centrech galaxií, v aktivních galaktických jádrech, kvazarech i v nitrech některých kulových hvězdokup. Pokládáme je tak za součást baryonové, tedy svítící či známé hmoty. 

Jak můžeme temnou hmotu pozorovat, když ji nevidíme? 

Asi nejpřesvědčivější argument pro její existenci představuje měření rotačních rychlostí spirálních galaxií. Z jejich středu vycházejí ve spirále jednotlivá ramena, jejichž rychlost dokážeme spočítat. Víme tak, že se vzdáleností od galaktického centra rychlost otáčení roste a zastaví na hodnotě dvou set kilometrů za sekundu, načež zůstává konstantní – tedy alespoň tak daleko, jak dokážeme měřit. To je ovšem v rozporu s pozorováním: Hustota zářící hmoty se vzdáleností od středu klesá a očekávali bychom, že se rychlost ramen bude snižovat. Jenže tomu tak není, protože stálicím zřejmě „něco“ poskytuje jakýsi gravitační motor. Právě popsaný rozpor vedl k myšlence temné hmoty, jež by svým gravitačním působením zmíněnou charakteristiku vysvětlovala. 

Přijímají teorii o působení temné hmoty všichni vědci? 

Zdaleka ne, existuje řada jiných teorií, které ji ze svých výpočtů vynechávají – a o jejich platnosti se nyní vedou debaty. K opuštění teorie temné hmoty se kloní i naše vědecká skupina, která k popisu vesmírných jevů používá teorii MOND, tedy modifikovanou newtonovskou dynamiku. Poprvé ji v roce 1983 publikoval izraelský fyzik Mordehai Milgrom a navrhuje v ní upravit dnes již přežité Newtonovy pohybové zákony a zákony gravitace tak, aby odpovídaly pozorovaným jevům i pohybům v kosmu – což temnou hmotu z výpočtů vyřazuje.

Podle MOND žádná taková látka neexistuje a nesrovnalosti je třeba hledat v dosud málo popsaných vlastnostech viditelné látky. Rozlousknutí sporu však zatím zůstává v nedohlednu. My se domníváme, že MOND představuje správný model: Od původního návrhu doktora Milgroma úspěšně předpověděl řadu galaktických jevů, které jsou z pohledu teorie temné hmoty těžko vysvětlitelné. 

V jednom ze svých nejnovějších článků prezentujete model kosmu, v němž temná hmota nefiguruje. Můžete nám ho přiblížit? 

Naše vědecká skupina, tvořená výzkumníky z univerzit v Bonnu, Praze a Štrasburku, poprvé počítačově nasimulovala vesmír, v němž vznikají galaxie bez přítomnosti temné hmoty. Náš software při modelování jejich zrodu vycházel z oblaku plynu v čase několika set tisíc let po Velkém třesku. Rozmístění hvězd i jejich rychlost odpovídají stejným vzorcům, jež jsou dnes vidět na noční obloze. A to je myslím správná cesta: aby výsledky simulace korespondovaly s tím, co doopravdy pozorujeme, a nikoliv naopak – kdy vytvoříte teoretický model a snažíte se do něj napasovat realitu.

V čem se simulace s temnou hmotou odlišují? 

Vznikly nám především rotující diskové galaxie podobné Mléčné dráze a téměř všem ostatním velkým hvězdným ostrovům, které známe. Vědci modelující vesmír s temnou hmotou získávají jako výsledky galaxie s tlustými disky, což znamená těžko vysvětlitelný rozpor s pozorováním. Jejich výpočty jsou navíc lehce ovlivnitelné řadou kosmických událostí, jako například výbuchy supernov, jež dokážou pořádně zamíchat distribucí látky v galaxiích. V simulacích MOND to však nehraje téměř žádnou roli. 

Znamená to tedy nový pohled na složení vesmíru a eventuální změnu současného kosmologického modelu? Dojde vědecká komunita k závěru, že teorie temné hmoty představovala jeden velký omyl? 

Naše simulace tvoří pouze první krok. Ani tyto výsledky neodpovídají realitě ve všech bodech. Zatím se podařilo potvrdit jen velmi jednoduché předpoklady o prapůvodním rozdělení hmoty a podmínkách v mladém kosmu. Musíme výpočty zopakovat a zanést do nich i složitější vlivy.

TIP: Co by se stalo, kdyby se Slunce proměnilo v černou díru?

Jsme tak trochu jako na počátku minulého století: Máme sice k dispozici velké množství dat, ale nikoliv vhodnou vědeckou teorii. Takže zatím nedokážeme definitivně předpovědět, zda vědecká komunita teorii existence temné hmoty zcela opustí, nebo ne.