Hviezdy nie sú vo vesmíre roztrúsené len tak hala-bala. Sú zoskupené v obrovských kŕdľoch, ktorým hovoríme galaxie. Galaxie však nie sú tvorené len hviezdami, ale aj niečím iným. To niečo dokonca prevláda. A nikto nevie, čo to je.
Kde bolo, tam bolo, pozrel sa raz Galileo Galilei na nočnú oblohu svojím ďalekohľadom a uvidel, že svetlý pás, známy ako Mliečna dráha, sa skladá z hviezd. Tým vlastne objavil prvú galaxiu – tú našu.
Trvalo ďalších 150 rokov, kým niekomu (konkrétne Immanuelovi Kantovi) napadlo, že by mohli existovať aj iné galaxie. A ďalších 150 rokov trvalo, kým niekto (konkrétne Edwin Hubble) dokázal, že tieto galaxie skutočne existujú. Naozaj, až v dvadsiatych rokoch dvadsiateho storočia ukázali Hubblove merania, že hmloviny, ktoré považoval Kant za samostatné galaxie, nemôžu byť súčasťou našej galaxie (pretože sú od nás príliš ďaleko).
Do dvadsiateho storočia si na svoje experimentálne potvrdenie musela počkať aj ďalšia Kantova hypotéza, týkajúca sa galaxií. Išlo o pohyb hviezd v galaxii, ktoré by podľa Kanta mali rotovať okolo spoločného stredu. A práve rotácia galaxií viedla k jednému z najzáhadnejších objavov v histórii astronómie – k objavu temnej hmoty.
.čudná rotácia
Galaxie totiž rotujú prekvapujúcim spôsobom. Aby sme toto prekvapenie dokázali aspoň trochu precítiť, musíme si najprv povedať, akú rotáciu galaxií vlastne ľudia očakávali (bez očakávania niet prekvapenia).
Takže začnime napríklad s otáčajúcim sa kolesom. Pri kolese očakávame, že čím je nejaký bod ďalej od osi otáčania, tým rýchlejšie sa pohybuje. Ak by nám merania rýchlostí jednotlivých častí kolesa ukázali niečo iné, tak by sme sa asi dosť čudovali.
Príklad s kolesom je dostatočne názorný (preto sme ho použili), ale v súvislosti s rotáciou galaxií nie je veľmi výstižný (preto ho urýchlene opustíme). Otáčajúce sa koleso totiž nie je dobrým príkladom otáčajúcej sa galaxie, pretože koleso je tuhé teleso, ale galaxia nie. Tuhé telesá sa skladajú z atómov viazaných medzi sebou elektromagnetickými interakciami. Galaxie sa skladajú z hviezd (a prípadne ďalších vecí, ako napríklad medzihviezdneho prachu a plynu) viazaných gravitačnými silami. Gravitačné sily nevytvárajú tuhé väzby a rotácia tu prebieha iným spôsobom.
Ako príklad rotujúcej sústavy viazanej gravitačnými silami si môžeme zobrať starú dobrú Slnečnú sústavu. V nej platí, že čím sú planéty od Slnka ďalej, tým pomalšie sa pohybujú. Rýchlosť Neptúna je napríklad takmer desaťkrát menšia ako rýchlosť Merkúra. Intuitívne to nie je až také jasné ako to koleso, ale v podstate je to celkom jednoduché – ide o priamy dôsledok Newtonových zákonov mechaniky.
A čo hovoria tieto zákony o rotácii galaxií? Nuž, pre špirálové galaxie, ktoré majú najviac hviezd vo svojom strede, vyplýva z Newtonových zákonov niečo podobné, ako pre planetárne systémy – s rastúcou vzdialenosťou od stredu by mala rýchlosť rotácie klesať. Ale neklesá. A práve to je to prekvapenie.
Fakt je, že na prvý pohľad to nie je bohvieako vzrušujúce prekvapenie, ale takto sa to javí, len ak ho posudzujeme izolovane. Ak ho začneme vnímať ako začiatok série čoraz väčších a dodnes sa nekončiacich prekvapení, potom to vyzerá o čosi zaujímavejšie.
.neviditeľná hmota
Astronómovia prišli pomerne rýchlo na spôsob, ako celkom jednoducho a prirodzene vysvetliť podivnú rotáciu galaxií. Uvedomili si totiž, že ak by galaxie nemali tvar diskov, ale gulí, potom by rotovali presne v súlade s pozorovaniami. Malo to len jeden háčik – ak sa človek pozrie na galaxie, vidí väčšinou disky, a nie gule.
Je možné, aby niečo, čo vidíme ako disk, malo v skutočnosti guľový tvar? Áno, je to možné, ak je väčšina tej gule neviditeľná. V prípade galaxií nemusí byť doslova neviditeľná, stačí, ak nesvieti. A tak sme sa konečne dostali k temnej alebo tmavej hmote (po anglicky dark matter).
Temná hmota sa neprejavuje ničím iným, len svojou gravitáciou. Gravitačné prejavy však môžu byť rôznorodé – od rotácie jednotlivých galaxií cez dynamiku systémov niekoľkých galaxií až po takzvané gravitačné šošovky. A všetky tieto prejavy vedú k rovnakému záveru – takmer deväťdesiat percent hmoty galaxií, a teda aj hmoty celého vesmíru, tvorí temná hmota.
A to už je pozoruhodné. Dokonca je to – prinajmenšom na prvé počutie – takmer neuveriteľné. Kým však zostaneme stáť v nemom úžase, mali by sme ešte preskúmať, či táto zdanlivo šokujúca skutočnosť nemá nejaké pomerne banálne vysvetlenie. Čo ak je temná hmota tvorená, napríklad, vyhorenými zvyškami hviezd, alebo naopak zárodkami potenciálnych hviezd, v ktorých sa ešte nerozhoreli termonukleárne reakcie? Stále by bolo prekvapujúce, že takýchto objektov je vo vesmíre až o toľko viac ako svietiacich hviezd, ale už by to nebolo také fantastické.
Ale v skutočnosti nemusíme preskúmavať nič, astrofyzici to už urobili za nás. Podrobne preskúmali všetky realistické možnosti takýchto objektov (ktorým sa v odbornej hantírke hovorí machovia – ide o skratku z anglického MAssive Compact Halo Object). A zistili, že do istej miery sa temná hmota môže skladať aj z nich. Ale naozaj len do istej miery. Experimentálne dáta hovoria, že machovia netvoria viac ako pätinu temnej hmoty. Zvyšné štyri pätiny sú teda tvorené niečím úplne iným. Takže ten nemý úžas je nakoniec celkom namieste.
.iná hmota
Ak totiž hovoríme o niečom úplne inom, tak máme na mysli naozaj niečo úplne iné. Väčšina temnej hmoty sa podľa všetkého neskladá z kvarkov a elektrónov, z ktorých sa skladá bežná hmota. Z čoho sa teda skladá?
No, to práve nevieme, aj keď máme niekoľkých podozrivých, t.j. máme niekoľko viac alebo menej špekulatívnych možností z fyziky elementárnych častíc. Všetky tieto možnosti však nejakým spôsobom presahujú Štandardný model (čo je názov súčasnej teórie elementárnych častíc).
Jednou takouto možnosťou sú neutrína s vysokou hmotnosťou. Tie majú medzi všetkými kandidátmi na temnú hmotu určité výsadné postavenie v tom, že celkom určite existujú (hoci nevieme, či majú dostatočne veľkú hmotnosť). Ostatní kandidáti sú len hypotetickí – to znamená, že existencia takýchto častíc nie je vylúčená, ale zatiaľ nie je ani v najmenšom potvrdená. Sem patria napríklad takzvané supersymetrické častice alebo axióny. No a napokon to môžu byť aj celkom iné častice, o ktorých zatiaľ nevieme vôbec nič, pretože sa v pozemských experimentoch (a na nich založených teóriách) doteraz neobjavili nijaké náznaky ich existencie.
Doteraz. Všetko sa však môže v blízkej budúcnosti zmeniť. V mnohých laboratóriách po celom svete totiž prebiehajú aj v tejto chvíli experimenty, ktorých cieľom je detekcia častíc temnej hmoty. Ich základná myšlienka je takáto: ak sa temná hmota nachádza vo všetkých galaxiách vrátane tej našej a ak sú častice tejto hmoty rozložené v každej galaxii viac-menej rovnomerne, potom by sa mali nachádzať aj tu, na Zemi.
No dobre, ale prečo ich potom bežne neregistrujeme? Nuž preto, lebo ich interakcia s bežnou hmotou je veľmi slabá. Takže je možné, že hoci sú tu všade okolo nás, navzájom sa takmer dokonale ignorujeme.
Ak je to tak, nebude jednoduché ich nájsť. Ale nemalo by to byť nemožné. Vyžaduje to síce drahé a sofistikované experimentálne zariadenia a obrovské množstvo práce, ale taká už je súčasná veda. Nádej na úspech pritom nie je príliš veľká, na druhej strane pozitívny výsledok by bol takmer určite jedným z najväčších objavov celého 21. storočia.
Čiže takto je to s tou neviditeľnou hmotou vo vesmíre. Najprv ju vidíme nepriamo cez čudne rotujúce galaxie, potom zistíme, že je naozaj celkom neviditeľná a že je jej vo vesmíre oveľa viac než obyčajnej hmoty, a napokon sa ju predsa len snažíme uvidieť pomocou rafinovaných časticových experimentov. Niekedy je tá veda fakt celkom zaujímavá.
Kde bolo, tam bolo, pozrel sa raz Galileo Galilei na nočnú oblohu svojím ďalekohľadom a uvidel, že svetlý pás, známy ako Mliečna dráha, sa skladá z hviezd. Tým vlastne objavil prvú galaxiu – tú našu.
Trvalo ďalších 150 rokov, kým niekomu (konkrétne Immanuelovi Kantovi) napadlo, že by mohli existovať aj iné galaxie. A ďalších 150 rokov trvalo, kým niekto (konkrétne Edwin Hubble) dokázal, že tieto galaxie skutočne existujú. Naozaj, až v dvadsiatych rokoch dvadsiateho storočia ukázali Hubblove merania, že hmloviny, ktoré považoval Kant za samostatné galaxie, nemôžu byť súčasťou našej galaxie (pretože sú od nás príliš ďaleko).
Do dvadsiateho storočia si na svoje experimentálne potvrdenie musela počkať aj ďalšia Kantova hypotéza, týkajúca sa galaxií. Išlo o pohyb hviezd v galaxii, ktoré by podľa Kanta mali rotovať okolo spoločného stredu. A práve rotácia galaxií viedla k jednému z najzáhadnejších objavov v histórii astronómie – k objavu temnej hmoty.
.čudná rotácia
Galaxie totiž rotujú prekvapujúcim spôsobom. Aby sme toto prekvapenie dokázali aspoň trochu precítiť, musíme si najprv povedať, akú rotáciu galaxií vlastne ľudia očakávali (bez očakávania niet prekvapenia).
Takže začnime napríklad s otáčajúcim sa kolesom. Pri kolese očakávame, že čím je nejaký bod ďalej od osi otáčania, tým rýchlejšie sa pohybuje. Ak by nám merania rýchlostí jednotlivých častí kolesa ukázali niečo iné, tak by sme sa asi dosť čudovali.
Príklad s kolesom je dostatočne názorný (preto sme ho použili), ale v súvislosti s rotáciou galaxií nie je veľmi výstižný (preto ho urýchlene opustíme). Otáčajúce sa koleso totiž nie je dobrým príkladom otáčajúcej sa galaxie, pretože koleso je tuhé teleso, ale galaxia nie. Tuhé telesá sa skladajú z atómov viazaných medzi sebou elektromagnetickými interakciami. Galaxie sa skladajú z hviezd (a prípadne ďalších vecí, ako napríklad medzihviezdneho prachu a plynu) viazaných gravitačnými silami. Gravitačné sily nevytvárajú tuhé väzby a rotácia tu prebieha iným spôsobom.
Ako príklad rotujúcej sústavy viazanej gravitačnými silami si môžeme zobrať starú dobrú Slnečnú sústavu. V nej platí, že čím sú planéty od Slnka ďalej, tým pomalšie sa pohybujú. Rýchlosť Neptúna je napríklad takmer desaťkrát menšia ako rýchlosť Merkúra. Intuitívne to nie je až také jasné ako to koleso, ale v podstate je to celkom jednoduché – ide o priamy dôsledok Newtonových zákonov mechaniky.
A čo hovoria tieto zákony o rotácii galaxií? Nuž, pre špirálové galaxie, ktoré majú najviac hviezd vo svojom strede, vyplýva z Newtonových zákonov niečo podobné, ako pre planetárne systémy – s rastúcou vzdialenosťou od stredu by mala rýchlosť rotácie klesať. Ale neklesá. A práve to je to prekvapenie.
Fakt je, že na prvý pohľad to nie je bohvieako vzrušujúce prekvapenie, ale takto sa to javí, len ak ho posudzujeme izolovane. Ak ho začneme vnímať ako začiatok série čoraz väčších a dodnes sa nekončiacich prekvapení, potom to vyzerá o čosi zaujímavejšie.
.neviditeľná hmota
Astronómovia prišli pomerne rýchlo na spôsob, ako celkom jednoducho a prirodzene vysvetliť podivnú rotáciu galaxií. Uvedomili si totiž, že ak by galaxie nemali tvar diskov, ale gulí, potom by rotovali presne v súlade s pozorovaniami. Malo to len jeden háčik – ak sa človek pozrie na galaxie, vidí väčšinou disky, a nie gule.
Je možné, aby niečo, čo vidíme ako disk, malo v skutočnosti guľový tvar? Áno, je to možné, ak je väčšina tej gule neviditeľná. V prípade galaxií nemusí byť doslova neviditeľná, stačí, ak nesvieti. A tak sme sa konečne dostali k temnej alebo tmavej hmote (po anglicky dark matter).
Temná hmota sa neprejavuje ničím iným, len svojou gravitáciou. Gravitačné prejavy však môžu byť rôznorodé – od rotácie jednotlivých galaxií cez dynamiku systémov niekoľkých galaxií až po takzvané gravitačné šošovky. A všetky tieto prejavy vedú k rovnakému záveru – takmer deväťdesiat percent hmoty galaxií, a teda aj hmoty celého vesmíru, tvorí temná hmota.
A to už je pozoruhodné. Dokonca je to – prinajmenšom na prvé počutie – takmer neuveriteľné. Kým však zostaneme stáť v nemom úžase, mali by sme ešte preskúmať, či táto zdanlivo šokujúca skutočnosť nemá nejaké pomerne banálne vysvetlenie. Čo ak je temná hmota tvorená, napríklad, vyhorenými zvyškami hviezd, alebo naopak zárodkami potenciálnych hviezd, v ktorých sa ešte nerozhoreli termonukleárne reakcie? Stále by bolo prekvapujúce, že takýchto objektov je vo vesmíre až o toľko viac ako svietiacich hviezd, ale už by to nebolo také fantastické.
Ale v skutočnosti nemusíme preskúmavať nič, astrofyzici to už urobili za nás. Podrobne preskúmali všetky realistické možnosti takýchto objektov (ktorým sa v odbornej hantírke hovorí machovia – ide o skratku z anglického MAssive Compact Halo Object). A zistili, že do istej miery sa temná hmota môže skladať aj z nich. Ale naozaj len do istej miery. Experimentálne dáta hovoria, že machovia netvoria viac ako pätinu temnej hmoty. Zvyšné štyri pätiny sú teda tvorené niečím úplne iným. Takže ten nemý úžas je nakoniec celkom namieste.
.iná hmota
Ak totiž hovoríme o niečom úplne inom, tak máme na mysli naozaj niečo úplne iné. Väčšina temnej hmoty sa podľa všetkého neskladá z kvarkov a elektrónov, z ktorých sa skladá bežná hmota. Z čoho sa teda skladá?
No, to práve nevieme, aj keď máme niekoľkých podozrivých, t.j. máme niekoľko viac alebo menej špekulatívnych možností z fyziky elementárnych častíc. Všetky tieto možnosti však nejakým spôsobom presahujú Štandardný model (čo je názov súčasnej teórie elementárnych častíc).
Jednou takouto možnosťou sú neutrína s vysokou hmotnosťou. Tie majú medzi všetkými kandidátmi na temnú hmotu určité výsadné postavenie v tom, že celkom určite existujú (hoci nevieme, či majú dostatočne veľkú hmotnosť). Ostatní kandidáti sú len hypotetickí – to znamená, že existencia takýchto častíc nie je vylúčená, ale zatiaľ nie je ani v najmenšom potvrdená. Sem patria napríklad takzvané supersymetrické častice alebo axióny. No a napokon to môžu byť aj celkom iné častice, o ktorých zatiaľ nevieme vôbec nič, pretože sa v pozemských experimentoch (a na nich založených teóriách) doteraz neobjavili nijaké náznaky ich existencie.
Doteraz. Všetko sa však môže v blízkej budúcnosti zmeniť. V mnohých laboratóriách po celom svete totiž prebiehajú aj v tejto chvíli experimenty, ktorých cieľom je detekcia častíc temnej hmoty. Ich základná myšlienka je takáto: ak sa temná hmota nachádza vo všetkých galaxiách vrátane tej našej a ak sú častice tejto hmoty rozložené v každej galaxii viac-menej rovnomerne, potom by sa mali nachádzať aj tu, na Zemi.
No dobre, ale prečo ich potom bežne neregistrujeme? Nuž preto, lebo ich interakcia s bežnou hmotou je veľmi slabá. Takže je možné, že hoci sú tu všade okolo nás, navzájom sa takmer dokonale ignorujeme.
Ak je to tak, nebude jednoduché ich nájsť. Ale nemalo by to byť nemožné. Vyžaduje to síce drahé a sofistikované experimentálne zariadenia a obrovské množstvo práce, ale taká už je súčasná veda. Nádej na úspech pritom nie je príliš veľká, na druhej strane pozitívny výsledok by bol takmer určite jedným z najväčších objavov celého 21. storočia.
Čiže takto je to s tou neviditeľnou hmotou vo vesmíre. Najprv ju vidíme nepriamo cez čudne rotujúce galaxie, potom zistíme, že je naozaj celkom neviditeľná a že je jej vo vesmíre oveľa viac než obyčajnej hmoty, a napokon sa ju predsa len snažíme uvidieť pomocou rafinovaných časticových experimentov. Niekedy je tá veda fakt celkom zaujímavá.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.