Teorie kosmické prázdnoty: Ukrývá se klíč k odhalení tajemství temné hmoty v kosmické nicotě?
Obrovské pusté oblasti našeho vesmíru zvané prázdnoty by mohly přispět k vyřešení jeho největších záhad, zejména pokud jde o temnou hmotu a temnou energii.
Očima výkonného teleskopu vypadá noční obloha na první pohled všude stejná, posetá hvězdami a galaxiemi. Bližší zkoumání však ukáže, že je hmota ve vesmíru z velké části uspořádaná ve vláknech pomyslné pavučiny, která obepínají nezměrné kosmické prázdnoty. Zmíněné oblasti nicoty o průměru desítek až stovek milionů světelných let přitom mohou přispět k výzkumu velkých vesmírných záhad.
Chybějící třetí rozměr
Až do konce 70. let minulého století astronomové předpokládali, že v největších prostorových měřítkách je vesmír víceméně rovnoměrný. A nešlo jen o dojem: Bylo jasné, že se hvězdy shlukují do galaxií a ty zase vytvářejí kupy a nadkupy, v nichž se vyskytují desítky, stovky, nebo i tisíce hvězdných ostrovů. Co se však týká největších rozměrů v kosmu, měli vědci coby klíčový zdroj informací k dispozici mikrovlnné reliktní záření, vyzářené do vesmíru asi 380 tisíc let po Velkém třesku. Kosmické observatoře ho mohou detekovat z celé oblohy a z jejich dat vyplývalo, že zmíněné elektromagnetické záření vypadá velmi homogenně. Odborníci se původně domnívali, že to odráží stav celého vesmíru.
Pozorování do té doby zachycovala oblohu především jako 2D snímek a jen v omezené míře zahrnovala hloubku coby třetí rozměr, tedy vzdálenost kosmických objektů od nás. Astronomové na tom postupně pracovali a zjišťovali, jak daleko se konkrétní cíle nacházejí. Museli odhadnout vzdálenost velkého množství galaxií, aby se začal skládat obrázek skutečného uspořádání vesmíru ve třech rozměrech.
Nicota opravdu existuje
V roce 1978 se američtí badatelé Laird Thompson a Stephen Gregory setkali s prvními náznaky, že ve skutečnosti není hmota ve vesmíru na největších prostorových škálách uspořádaná úplně rovnoměrně, ale existují i do značné míry prázdná místa. V roce 1981 na ně navázal Robert Kirshner, když s kolegy objevili ve směru k souhvězdí Pastýře ohromující oblast o velikosti asi 400 milionů světelných let, jež se tak stala první odhalenou kosmickou prázdnotou – anglicky „void“. Jak jednou trefně poznamenal americký vědec Gregory Scott Aldering, kdyby se Mléčná dráha nacházela v jejím centru, až do poloviny 60. let bychom nevěděli o jiných galaxiích ve vesmíru.
Nějakou dobu zůstávalo nejasné, zda nejde o pouhou chybu měření. V roce 1986 však Margaret Gellerová, John Huchra a Valérie de Lapparentová potvrdili, že jsou dříve objevené prázdnoty skutečné. Při technicky náročném výzkumu proměřili vzdálenosti mnoha stovek galaxií na velkém úseku oblohy a zjistili, že se zmíněná „prázdna“ vlastně nacházejí všude: Vesmír je plný víceméně sférických prázdnot, které obklopují vlákna tvořená galaxiemi. Šlo přitom o velkou výzvu pro tehdejší modely vzniku a vývoje kosmu. Detailnější výzkumy nicméně dál dokládaly, že je proděravěný prázdnotami jako ementál – zatímco reliktní záření je naopak homogenní, třeba jako tavený sýr. Vědci se proto museli ptát, jaké síly vytvarovaly vesmír z podoby taveného sýra do ementálu.
Tajemná látka
Významným faktorem, s nímž bylo nutné v kosmologických modelech počítat, se v 80. letech stala temná hmota. Dodnes sice neznáme její přesnou podstatu, ale podle všeho ve vesmíru nad veškerou běžnou látkou několikrát převažuje. Její gravitační vliv pak mohl způsobit, že oblasti raného kosmu dosahující oproti okolí jen o něco vyšší hustoty měly mnohem větší gravitační sílu, než si vědci představovali před zavedením konceptu temné hmoty. Silným působením gravitace tam potom vznikaly hvězdy a galaxie, zatímco z míst, kde byla původně hustota kosmu pouze o něco nižší, se vyvíjely prázdnoty.
Od dob prosazení představy, že je hmota ve vesmíru na největších prostorových škálách uspořádaná v podobě pavučiny, se většina badatelů věnovala zkoumání jejích vláken. Na prázdnoty se naopak zaměřila jen hrstka odborníků: Problém spočíval v tom, že jsou prostě prázdné a nebylo tam příliš co zkoumat. Navíc se s jejich výzkumem pojily rovněž technické problémy. Aby s nimi mohli vědci pracovat, potřebovali jich prostudovat velké množství a statisticky je vyhodnotit – tedy alespoň pokud jde o parametry, které u nich lze našimi přístroji měřit, jako je tvar, velikost nebo umístění v prostoru.
Nyní se každopádně zdá, že by výzkum prázdnot mohl přispět k osvětlení záhady temné hmoty. Nejspíš ji sice zahrnují v menším množství než vlákna kosmické pavučiny posetá galaxiemi, ale nějakou podle všeho obsahují. A podle astrofyziků by poklidný charakter prázdnot mohl usnadnit její toužebně očekávanou detekci.
Tamní temná hmota by se neprojevila přímo, protože stále platí, že nevydává ani neabsorbuje žádné záření. Za jistých okolností by se však její částice mohly srážet za vzniku spršek záření gama a také by se mohly rozpadat, což by vedlo k témuž výsledku. Dostatečně citlivý vesmírný gama-teleskop by teoreticky mohl zachytit kolektivní signál takových projevů z prázdnot. Italský fyzik Nicolao Fornengo je přesvědčen, že pokud temná hmota svou aktivitou nějaké gama-záření vytváří, musí se v prázdnotách vyskytovat příslušný signál.
Plno temné energie
Po přelomu tisíciletí měli astrofyzici pro výzkum prázdnot k dispozici víc nástrojů. Projekty jako Sloan Digital Sky Survey alias SDSS přinesly množství dat z velmi hlubokého vesmíru a potvrdily, že se prázdnoty vyskytují v kosmu všude kolem nás. Rovněž vyšlo najevo, že se vesmír nejen rozpíná, ale že se jeho expanze zrychluje. Vědci kvůli tomu zavedli koncept temné energie – síly, jež se podobá negativní gravitaci a nutí vesmír rozpínat se stále rychleji.
Kosmické prázdnoty by se přitom mohly stát nástrojem, který by přispěl i k objasnění podstaty temné energie. Na jejich potenciál upozorňuje Benjamin Wandelt, pro něhož se stávají velmi zajímavou oblastí výzkumu. Badatel z Institut Lagrange de Paris studuje vznik struktury vesmíru na největších prostorových škálách a zaujalo ho, že se prázdnoty hodí pro modelování jeho vývoje a vlivu temné energie. V řadě ohledů jsou totiž mnohem klidnější než nadkupy galaxií a vlákna kosmické pavučiny.
Hvězdné ostrovy a kosmický plyn se rozmanitě a komplikovaně srážejí a do působení temné energie se vměšuje vliv gravitace. Naproti tomu v prázdnotách, jak uvádí Wandelt, převládá právě temná energie. Největší z nich se dokonce rozpínají rychleji než většina vesmíru, což z nich dělá ideální laboratoře pro výzkum dosud stále tajemné substance.
Kolik váží neutrina?
Ponuré prázdnoty jsou rovněž slibné, pokud jde o studium přízračných elementárních částic zvaných neutrina. Ačkoliv je jich vesmír plný, z našeho pohledu to vůbec není znát. Podle všeho jsou sice stabilní a samovolně se nerozpadají, ale zároveň většinou procházejí běžnou hmotou, „jako by se nechumelilo“. Udává se, že skrz jeden centimetr čtvereční lidského těla jich každou sekundu proletí asi 60 miliard, aniž bychom si čehokoliv všimli. Klidně projdou skrz Zemi, a nijak se to na nich neprojeví. Slunce vyzařuje neutrina o energii několika megaelektronvoltů, přičemž k zachycení alespoň poloviny z jejich toku by se musel použít blok olova zhruba o tloušťce jednoho světelného roku.
Fyzici dlouho neměli jasno, zda tři známá neutrina a příslušná tři antineutrina vůbec mají nějakou hmotnost. Nakonec se ukázalo, že nesmírně malou hmotnost nejspíš mají; vědci si však nejsou jistí její hodnotou. A kosmické prázdnoty by kupodivu mohly přispět i k vyřešení této záhady. Jak již totiž zaznělo, jsou nápadně prázdné a obsahují jen málo běžné i temné hmoty. Zato neutrina – alespoň podle toho, co o nich víme – by měla být ve vesmíru rozmístěna víceméně rovnoměrně. Kosmické prázdnoty jich tudíž zahrnují ohromné množství: Zmíněné částice vletí dovnitř, projdou skrz a zase vyletí ven, takže by jejich tamní počet měl být zhruba stále stejný. Jelikož mají určitou, byť mizivou hmotnost, ve velkých počtech vytvářejí gravitační sílu, která na prázdnoty působí a zpomaluje jejich expanzi. Analýza rychlosti rozpínání prázdnot, jež by zahrnula jejich velikosti v raném a dnešním kosmu, by tak mohla odhalit hmotnost neutrin.
Kosmologové je milují
Vědci studující vznik a vývoj vesmíru počítají s tím, že prázdnoty využijí ještě mnohem víc. Přece jenom tvoří podstatnou část objemu kosmu, jenž nás obklopuje. K tomu je ovšem nutné, abychom získali data o co největším počtu prázdnot. V současné době jich známe něco přes šest tisíc, ale už během 5–10 let by mohlo jít o statisíce. Cenným pomocníkem by se v daném směru měla stát umělá inteligence, jelikož detailní prosévání ohromného množství dat představuje právě ten druh činnosti, v níž je nepřekonatelná.
Odborníci aktuálně nepočítají se speciálními projekty pro pátrání po kosmických prázdnotách. Spoléhají na to, že se objeví jako cenný vedlejší produkt v rozsáhlých 3D mapách vzdáleného kosmu, které by měly vzniknout například v rámci nedávno zahájené mise evropského vesmírného teleskopu Euclid, dále amerického Nancy Grace Roman Space Telescope, jehož start se momentálně plánuje na rok 2027, nebo při pozorování Vera C. Rubin Observatory v Chile, s jejímž spuštěním se počítá v roce 2025.
