Najdeme gravitační portály? Pátrání po podstatě temné hmoty a gama záření (2)
Skrytá látka neboli temná hmota by mohla rovněž sestávat z hypotetických částic, jejichž existenci se zatím nepodařilo prokázat. Astrofyzici je rozdělují na studenou, teplou a horkou temnou hmotu, podle toho, jak rychle se pohybují v porovnání se světlem.
Chladná temná hmota, kam se někdy formálně zařazují i MACHO objekty, představuje v současnosti nejslibnější skupinu pro pátrání po částicích skryté látky. Mezi nejznámější kandidáty z uvedené skupiny patří tzv. WIMP neboli Weakly Interacting Massive Particles, hypotetické elementární částice, jež s běžnou látkou reagují jen prostřednictvím gravitace a pak ještě velmi slabě skrz další síly. Ke slibným kandidátům se řadí rovněž hypotetické axiony, velmi lehké částice.
Předchozí část: Najdeme gravitační portály? Pátrání po podstatě temné hmoty a gama záření (1)
Skupina teplé temné hmoty také zahrnuje několik hypotetických adeptů. Nejznámější jsou sterilní neutrina, která by měla s ostatní látkou reagovat pouze prostřednictvím gravitace, a spolu s nimi gravitina čili supersymetričtí „partneři“ gravitonů – shodou okolností rovněž dosud hypotetických částic, zprostředkujících gravitaci. Horká temná hmota pak zahrnuje částice pohybující se extrémními rychlostmi. Dřív se za takové kandidáty pokládala neutrina; nyní však převažuje názor, že známá neutrina nemohou fenomén skryté látky vysvětlit, a celá skupina horké temné hmoty se již nepovažuje za „životaschopnou“.
Netečná substance
Temnou hmotu tedy nejspíš tvoří nějaké částice, jejichž podstata nám ovšem stále uniká. Podle všeho neinteragují s elektromagnetickým zářením, protože jinak už by je astronomové v kosmu pozorovali. Také nejspíš neinteragují se silnou jadernou silou, která drží nesmírně pevně pohromadě částice v jádrech atomů. V opačném případě už by je totiž odborníci vystopovali v experimentech na urychlovačích a dalších zařízeních částicové fyziky. Otázkou zůstává vztah mezi částicemi temné hmoty a slabou jadernou silou, jež působí na rozmanité částice. Problém spočívá v tom, že je zmíněná síla natolik slabá a působí na tak krátké vzdálenosti, že se nesmírně obtížně zkoumá.
Podle fyziků je docela možné, že našimi těly každou chvíli prochází ohromující množství částic temné hmoty, zcela nenápadných a pro naše smysly i přístroje neviditelných. Přesto, pokud skrytá látka existuje a tvoří ji nějaké částice, prozrazuje se skrz gravitaci. Každá částice o sebemenší hmotnosti se totiž projevuje určitou gravitační silou, i když velice nepatrnou. Jedinou víceméně spolehlivou cestou ke studiu temné hmoty tak zůstává pozorování jejích gravitačních interakcí s normální látkou, kterou sledovat můžeme.
Po srážce silnější
Astrofyzici Sü-tung Sun a Pen-Čung Taj z univerzity v Jün-nanu hledají důkazy o existenci temné hmoty v srdci Mléčné dráhy kvůli jistému pozoruhodnému jevu: Její jádro totiž vydává množství záření gama – a nám pro to schází věrohodné vysvětlení. Paprsky gama představují nejenergetičtější formu elektromagnetického záření, jakou známe. Obvykle se ve vesmíru objevují při opravdu dramatických událostech typu explozí supernov. Nicméně v centru naší Galaxie pozorujeme více gama-záření, než by odpovídalo těmto extrémním kosmickým dějům. Máme o nich docela dobrý přehled, protože se zpravidla nedají přehlédnout, a navíc jsou poměrně vzácné.
Otázkou zůstává, kde se „nadbytečné“ gama-záření z centra Mléčné dráhy bere. Podle Suna a Taje vzniká díky vysokoenergetickým elektronům. Fyzikálně je mnohem snazší vytvářet tyto elektrony než přímo fotony gama-záření. Když takové elektrony nesoucí množství energie zaplaví mezihvězdný prostor, čas od času se některý z nich srazí s fotonem prolétajícím kolem. Fotony většinou nenesou příliš velké množství energie. Pokud se ovšem srazí s vysokoenergetickým elektronem, který se bezhlavě řítí kosmem, najednou získají ohromné množství energie a stanou se z nich fotony gama-záření. Mohou-li však za pozorované záření gama opravdu srážky s vysokoenergetickými elektrony, co je zdrojem těchto elektronů?
Výsledek nabitý energií
Pozorujeme záhadné gama-záření z centra Mléčné dráhy a zároveň víme, že by se v jejím nitru mělo vyskytovat nejvíc hmoty i temné hmoty. Podle čínských badatelů nejde o náhodu. Domnívají se, že jevem, který všechno popsané spojuje, jsou tzv. leptofilní gravitační portály. Nejedná se o gravitační brány, jaké známe ze sci-fi příběhů. Ve fyzikálním žargonu představují gravitační portály interakce mezi částicemi, které zprostředkovává gravitace, přičemž k částicím zvaným leptony náležejí i elektrony. V daném případě zajistí gravitační portál setkání a vzájemnou anihilaci částic temné hmoty, při níž vznikne vysokoenergetický elektron.
Popsané interakce by se měly odehrávat nejčastěji právě v centru Mléčné dráhy, a to v důsledku vysoké koncentrace temné hmoty. Je-li uvedený scénář správný, pak se z gravitačních portálů vynořují elektrony nabité energií, putují vesmírem a občas se srazí s fotonem. My pak sledujeme množství gama-záření tam, kde by se ho tolik vyskytovat nemělo. Zatím jde jen o myšlenku, na níž bude nutné dál pracovat. Může se samozřejmě ukázat, že daný scénář nefunguje a nedokáže vysvětlit záření gama v centru Galaxie ani poodhalit existenci a vlastnosti temné hmoty. Jelikož ovšem vědci ohledně skryté látky stále tápou ve tmě, je každý nápad vítaný, i kdyby se nakonec ukázal jako slepá ulička.
Po stopách záhadné materie
První náznaky, že vesmír nemusí tvořit jen to, co dokážeme pozorovat – přestože v nejrůznějších spektrálních oborech – pocházejí z 30. let 20. století. Švýcarský astronom Fritz Zwicky tehdy na observatoři Mount Wilson studoval kupu galaxií ve Vlasech Bereniky a zjistil, že pohyby hvězdných ostrovů neodpovídají množství hmoty, kterou v kupě sleduje. Jako první tak postuloval, že galaxie musejí být plné gravitačně interagujícího materiálu, jejž nejsme schopni pozorovat, a nazval ho „temná hmota“.
O třicet let později sledovala americká astronomka Vera Rubinová spektroskopicky spirální galaxie, přičemž se jí podařilo určit oběžnou dobu molekulárních mračen v různých vzdálenostech od jejich středů. Podle gravitačního zákona by mělo husté jádro hvězdného ostrova rotovat jako tuhé těleso, tzn. že s rostoucí vzdáleností od něj by měla oběžná rychlost narůstat. A naopak na periferii, kde je galaxie řídká, by měla klesat – podobně, jako je tomu u planet Sluneční soustavy. Rubinová ovšem zjistila, že oběžná rychlost zůstává až do velké vzdálenosti od centra hvězdného ostrova v podstatě konstantní. Na objekty z periferie tudíž musí působit větší odstředivá síla, než je gravitační přitahování, takže by měly odletět pryč. Že se tak neděje, může být způsobeno jen tím, že se v galaxiích a kolem nich vyskytuje značné množství hmoty, kterou nevidíme.
TIP: Největší záhady astrofyziky: Rozluštíme tajemství temné hmoty? A mohou existovat paralelní vesmíry?
Postupem času se objevují další doklady existence skryté látky získané na základě sledování vesmíru. Zároveň astrofyzici předkládají stále nové teorie snažící se vysvětlit pozorování spojovaná s temnou hmotou způsobem, který by nevyžadoval její existenci. Obvykle stavějí na jiném pojetí gravitace, než nabízí Einsteinova obecná relativita. S novými pozorováními, jež souvisejí se skrytou látkou, se však zmenšuje prostor pro „alternativní“ teorie bez ní – například včetně modifikované newtonovské dynamiky alias MOND. V současné době žádná z těchto alternativ nevysvětlí všechna sledování temné hmoty ve vesmíru.
