Tmavá alebo skrytá hmota vesmíru je veľmi zvláštny úkaz. Nevideli by sme ju ani vtedy, ak by sme ju mali priamo pred očami, trebárs v rukách, iba by sme cítili jej hmotnosť.
Stále nie je isté, z čoho sa skladá a či vôbec niekedy pochopíme jej podstatu. Pritom jej je mnohonásobne viac než tej, ktorú vidíme voľným okom. Pochopenie podstaty exotickej tmavej hmoty je podľa mnohých vedcov jedným z kľúčových problémov modernej astronómie.
Začal to Zwicky
Vedci o podivuhodnej skrytej hmote uvažujú už desiatky rokov. Jej významný gravitačný vplyv si ako prvý všimol kontroverzný švajčiarsko-americký astronóm Fritz Zwicky v roku 1933.
Kontroverzný nebol ani tak pre svoju vedeckú prácu; veď napísal originálne štúdie o veľmi hmotných hviezdach, vymyslel slovo „supernova“ a bol prvý, kto predpokladal, že po supernove vznikne malá, neuveriteľne hustá hviezda, zložená iba z neutrónov.
Kontroverzný bol vo vzťahu ku kolegom. Myslel si, že mu kradnú nápady, a ak sa mu niekto znepáčil, nazval ho sférickým bastardom („pán kolega, vy ste bastard, nech sa na vás pozriem
z ktorejkoľvek strany“). Iný významný astronóm Walter Baade, jeho najbližší spolupracovník, s ním odmietal zostávať v jednej miestnosti.
To však nič nemení na skutočnosti, že Zwicky dlhé roky študoval blízke galaxie a uvedomil si, že ich pohyb nemôže ovplyvňovať iba viditeľná hmota: kopa galaxií by sa veľmi rýchlo rozpadla, keby ju nejakým spôsobom nedržala pokope príťažlivosť hmoty, ktorú nevidno. Podľa jeho odhadu by mali mať galaxie asi desaťkrát viac takejto hmoty; lenže ako ju odhaliť?
Nový záujem o výskum tohto kozmologického fenoménu sa objavil dlho po prvých Zwického úvahách, niekedy v 70. rokoch uplynulého storočia. Pokrok v tejto oblasti však nebol rýchly.
Napokon, ilustruje to aj fakt, že naozaj významnú cenu za výskum tmavej hmoty získali štyria kozmológovia až teraz. Ide o prestížnu americkú Gruberovu cenu za rok 2011, dotovanú 500-tisíc dolármi. Možno ju označiť za malú Nobelovu cenu za astronómiu a kozmológiu.
Gang štyroch
Gruberova nadácia ocenila prácu tímu štyroch vedcov nad počítačovými simuláciami rozloženia tmavej hmoty vo vesmíre. Ich práca, ktorá sa začala pred vyše dvadsiatimi rokmi, presvedčila svet o existencii tmavej hmoty
a umožnila po niekoľkých neplodných pokusoch začať jej výskum.
V časoch svojho vzniku si s humorom hovorili gang štyroch, alebo aj DEFW podľa začiatočných písmen svojich mien. Skupinu založil a viedol Marc Davis, ktorý je dnes profesorom astronómie a fyziky Kalifornskej univerzity v Berkeley (USA).
Ďalšími členmi kozmologického gangu boli George Efstathiou, teraz riaditeľ Kavliho kozmologického inštitútu v Cambridgei (Veľká Británia), Carlos Frenk, terajší riaditeľ Inštitútu výpočtovej kozmológie v Durhame (Veľká Británia) a Simon White, riaditeľ Astrofyzikálneho inštitútu Maxa Plancka v Garchingu (Nemecko).
Gruberovu cenu udeľuje nadácia Petera a Patricie Gruberovcov od roku 2000. Medzi jej nositeľmi sú vedci takého formátu ako Martin Rees, Alan Guth a Andrei Linde, James Gunn, hlavný konštruktér Hubblovho teleskopu, alebo John Mather, od roku 2006 držiteľ Nobelovej ceny za výskum kozmického reliktného žiarenia (spolu s Georgeom Smoothom).
Bol to práve uznávaný britský kozmológ Martin Rees, ktorý v knihe Iba šesť čísel z roku 1999 napísal: „Dovolím si vysloviť optimistický názor, že ak by som túto knihu písal o päť rokov, už by som v nej informoval aj o tom, čo je tmavá látka.“
Neviditeľná tmavá hmota sa však ukázala oveľa tvrdším orieškom, než Rees predpokladal. Jeden z ocenených tohtoročnou Gruberovou cenou Marc Davis povedal, že sa síce podarilo vymedziť limity toho, čím by tmavá hmota nemala byť, to je však zatiaľ stále iba začiatok:
„Za našu najväčšiu nádej považujeme Veľký hadrónový urýchľovač v CERN-e. Ak nám ten nič nepovie, nikdy nezistíme, čo to vlastne tmavá hmota je,“ povedal Davis, možno aj
s narážkou na skutočnosť, že Američania sa pre finančné problémy chystajú utlmiť svoj najväčší urýchľovač - Tevatron, ktorý funguje od roku 1983 vo Fermilabe v Illinois a po LHC v CERN-e je druhým najvýkonnejším.
Ako je rozdelená hmota?
V 80. rokoch uplynulého storočia si astronómovia uvedomili, že nielen Mliečna cesta, ale aj iné galaxie podliehajú vplyvu neznámej neviditeľnej hmoty. Modely Big Bangu a ďalšieho vývoja vesmíru, ktorý z týchto modelov vyplýval, však poznatok o skrytej hmote ignorovali.
Existovali tri návrhy, ako by mohla tmavá hmota fungovať. Mohla by byť horúca a skladať sa z relativistických častíc pohybujúcich sa rýchlosťou blížiacou sa k rýchlosti svetla. Mohla by to byť chladná tmavá hmota zložená
z pomaly sa pohybujúcich častíc. Alebo by to mohla byť teplá tmavá hmota, teda niečo medzi horúcim a chladným teplotným extrémom.
V roku 1981 začal mladý profesor astronómie na Harvarde Davis skúmať galaxie v rozličných vzdialenostiach. Dostal sa až k číslu 2400, takže získal predstavu o tom, ako vyzerá kozmos
v najvyššom rozlíšení. Urobil objav, ktorý ohromil astronomickú komunitu: galaxie nie sú rozložené rovnomerne, ale sú ukotvené v akejsi kozmickej pavučine, vlákna ktorej oddeľujú obrovské prázdne priestory.
“V tom čase nemal nik predstavu o tom, ako je hmota rozdelená na veľkom priestore, a pravdu povediac sme o tom ani veľmi nepremýšľali,” povedal Davis. “
Lenže čoskoro sa ukázalo, že aj ten najlepší matematický model Big Bangu je zlý; teória bola v úplnom rozpore s našimi pozorovaniami galaxií, ktoré sme urobili na Harvarde.”
Davisa napadlo, že východiskom zo slepej uličky by bola počítačová simulácia pohybu tisícok galaxií, ktoré sú nielen pod vplyvom gravitácie, ale aj pod vplyvom tmavej hmoty.
Nemá to rada horúce
V tom čase už Davis potreboval pomoc. Začiatky práce tímu opísal na webových stránkach Kalifornskej univerzity v Berkeley sám Davis, ktorý sa spojil s Whiteom a Frenkom.
Platným členom tímu bol aj Efstathiou, ktorý predtým vyvinul program simulácie miliárd rokov galaktického vývoja. Pracovali väčšinou na Kalifornskej univerzite v Berkeley, kde vytvorili nové simulácie vývoja galaxií.
Ukázalo sa, že tmavá hmota nepatrí medzi tie neznáme, ktoré to majú rady horúce. Programy „gangu štyroch“ vylúčili pôsobenie nielen horúcej, ale aj teplej tmavej hmoty na vývoj vesmíru.
Počítačové simulácie ukázali, že jedine chladná tmavá hmota môže v priestore vytvárať zhluky, vlákna a prázdne miesta. Simulácie presvedčili prakticky všetkých neveriacich.
„Práca tímu DEFW bola na začiatku éry, ktorá priniesla používanie výpočtových simulácií ako bežného nástroja kozmologických štúdií,” povedal Wendy Freedman, predseda komisie, ktorá udelila tohtoročnú Gruberovu kozmologickú cenu.
Zaujímavé je, že táto práca naznačila aj existenciu skrytej energie. Ale rovnako ako Einstein, aj moderní astronómovia sa dlho neodvažovali zahrnúť túto „kozmologickú konštantu“ do svojich výpočtov. Dnes je však už existencia skrytej energie nespochybniteľná; funguje naozaj ako konštanta a riadi rozpínanie vesmíru, ktoré sa neustále zrýchľuje.
Kozmológovia dnes odhadujú, že obyčajná hmota vo forme hviezd, planét a kozmického prachu vrátane života tvorí iba 4,6 percenta vesmíru.
Okolo 23,3 percenta by malo pochádzať z tmavej hmoty a zvyšok, 72,1 percenta, je azda ešte záhadnejšia skrytá energia, existenciu ktorej vedci potvrdili až pred desiatimi rokmi.
Z vesmíru teda poznáme veľmi malú časť. Na jednej strane to vyzerá zahanbujúco. Na druhej strane si však možno položiť otázku aj inak: prečo by mal byť celý vesmír „vyrobený“ práve z takej hmoty, ktorú uvidíme na vlastné oči?
Žeby práve tmavá hmota a tmavá energia boli najlepším dokladom neexistencie veľkého plánu? Kozmos tu nie je ani pre nás, ani pre nikoho iného, je tu len náhodou spolu s nami.
A my sa s tým musíme nejako zmieriť, trebárs aj pomocou výskumu toho, čo možno nikdy nepochopíme.
Hlavný zdroj: webové stránky Kalifornskej univerzity v Berkeley
