20.11.2016-20:28:00   |   Marek Jurčík
#Kozmos

Kde nastala chyba?

Prvé hypotézy o neviditeľnom materiále v kozme pochádzajú už z dvadsiatych rokov minulého storočia. Holanďan Jacobus Kapteyn a neskôr aj známy Jan Oort zistili, že rýchlosť pohybu niektorých hviezd prekračuje predpovedané hodnoty. Nezrovnalosti oproti teórii interpretovali prítomnosťou hmoty, ktorá svojou tiažou vplýva na pohyb okolitých objektov, no zostáva skrytá pred zrakom pozorovateľa. Dané tvrdenia vedci pokladali za prinajlepšom príliš odvážne. A napokon vysvitlo, že to, čo sa snažili vysvetliť, bolo dielom chyby samotných pozorovacích prístrojov.



Iná situácia nastala v roku 1933. Profesor z MIT Fritz Zwicky na rozdiel od svojich predchodcov neskúmal jednotlivé hviezdy, ale celú galaktickú kopu. Na jeho veľké prekvapenie, galaxie z okrajových oblastí sa pohybovali až tak rýchlo, že by ich účinky odstredivej sily mali takpovediac rozhádzať po okolí. Jedným z riešení bolo, že pozorované zoskupenie galaxií drží pohromade vďaka gravitácii dodatočnej hmoty.

Temná hmota

Podľa Zwickyho výpočtov pozorovaná kopa obsahovala až 400-krát viac hmoty ako možno vidieť. Rovnako ako v predošlom prípade, výsledky nikto nebral vážne.

Postupom času pribúdalo čoraz viac dôkazov podporujúcich existenciu tejto skrytej „tmavej hmoty“, ako sa dnes nazýva. Celkovo ale trvalo takmer 50 rokov, kým bola jej existencia všeobecne uznaná. Zaslúžili sa o to najmä astronómovia z Carnegieho inštitútu vo Washingtone: Vera Rubinová a Kent Ford, ktorí skúmali vzťah medzi frekvenciou vyžarovaného svetla a rýchlosťou rotácie špirálovitých galaxií. Opäť zistili odchýlky oproti teóriou predpokladaným hodnotám.

Posledné štúdie ukazujú, že tmavá hmota tvorí 26,8 % všetkej hmoty-energie v kozme, zatiaľ čo na atómy spolu s neutrínami a fotónmi pripadá len 4,9 %.



Keďže nevyžaruje ani neodráža žiadne svetlo, jediným východiskom pri jej výskume sú efekty vyvolané tiažovou silou. Astronómovia najčastejšie využívajú takzvanú gravitačnú šošovku (na spôsob šošovky ohnuté lúče svetla zo vzdialeného zdroja, pričom k tomuto ohnutiu dochádza kvôli gravitačnému vplyvu hmotnej galaxie pozn. red.), ktorá vďaka ohýbaniu svetla zväčšuje obrazy vzdialených objektov. Pozorovania odhalili, že tmavá hmota tvorí významnú časť galaktických hál. Predstavuje akúsi oporu pre viditeľnú hmotu, ktorá by inak skončila roztrúsená po vesmíre.

Odkiaľ vziať materiál na temnú hmotu?

Aj napriek snahám výskumníkov z celého sveta, doposiaľ nebola zodpovedaná otázka, z čoho pozostáva temná hmota.

Astronómovia spočiatku uvažovali o hnedých trpaslíkoch, ktoré zložením pripomínajú hviezdy, no vyžarujú len veľmi nevýrazné svetlo. Pokiaľ by sa zhromaždili do veľkých zoskupení, teoreticky by dokázali svojou tiažou vyvolať efekty prisudzované tmavej hmote.

Avšak vo vesmíre sa nenachádza dostatok materiálu potrebného na stavbu natoľko veľkého množstva hnedých trpaslíkov. Z rovnakého dôvodu neobstála ani možnosť, že by šlo o iné hmotné kompaktné objekty galaktického halo, takzvané telesá M.A.C.H.O. Spolu s hnedými trpaslíkmi k ním patria aj neutrónové hviezdy, roje komét, či zhluky čiernych dier. Nanajvýš predstavujú len menšinovú zložku pôvodcu efektov prisudzovaných tmavej hmote.

Nové častice

Spomedzi uchádzačov o tmavú hmotu neobstáli ani neutrína, a ani žiadne iné podobné častice. Už dlhšiu dobu sa preto uvažuje, že v pozadí javov vysvetľovaných tmavou hmotou stojí úplne nový, neznámy druh častíc.

Jedným z nich sú hypotetické axiony, ktoré sa vlastnosťami ponášajú na neutrína. Sú veľmi ľahké a vo vesmíre by sa mali vyskytovať oveľa častejšie ako bežné atómy. S ostatnými objektami reagujú len ojedinele a preto sa ich ešte stále nepodarilo zachytiť. Ich existencia vyplýva jedine z rôznych modelov časticovej fyziky. Ukazuje sa ale, že po určitom čase by sa mali rozpadať na protóny. Avšak podľa doterajších zistení tmavá hmota zotrváva stabilná (neboli zaznamenané žiadne produkty jej rozpadu).

Do úvahy prichádzajú taktiež tzv. WIMP-y, teda slabo interagujúce hmotné častice. Od axiómov by sa líšili viac-menej len hmotnosťou. No aj napriek viacerým pokusom o detekciu, ich existencia stále zostáva nepotvrdená.

Kozmologická konštanta

Porovnateľný, ak nie ešte väčší rozruch vo vede a v médiách ako temná hmota, spôsobil objav zrýchľujúcej expanzie vesmíru. Hlavne jej vysvetlenie.



Krátko potom, čo Einstein v roku 1915 sformoval všeobecnú teóriu relativity, spočítal, že kozmický priestor nemôže byť statický, ako sa dovtedy verilo. V skutočnosti by sa mal rozpínať, prípadne zmršťovať. Na tú dobu exotická predstava v čase premenného vesmíru sa mu nepozdávala, a tak do svojich rovníc zaviedol ďalší člen Λ. Ten predstavuje kozmologickú konštantu, ktorá by presne kompenzovala vplyv gravitačnej sily narúšajúci stabilitu. Odlišné riešenie všeobecnej teórie relativity bez „dodatku“ Λ vytvorili matematik z bývalého Sovietskeho zväzu Alexander Friedmann a belgický kňaz Georges Lemaître. Obaja predpovedali rozpínanie priestoru, ktoré v roku 1929 experimentálne dokázal Edwin Hubble. A tak kozmologická konštanta stratila význam. Aspoň na ďalších 70 rokov...

Skrytá energia

Dva vedecké tímy, jeden z Kalifornskej univerzity v Berkeley a druhý z Austrálskej národnej univerzity, viedli počas minulého storočia výskum zameraný na svetelné spektrum supernov typu 1A. Analýzou dát získali informácie o rýchlosti rozpínania vesmíru. Predpokladali, že od čias veľkého tresku bude expanzia už len spomaľovať a v ďalekej budúcnosti sa úplne zastaví. Merania ale odhalili presný opak. Kozmický priestor sa podľa nich zväčšuje so stále narastajúcou rýchlosťou.1

Výsledok nezávisle na sebe neskôr potvrdilo aj mnoho ďalších experimentov. Posledných pochybovačov presvedčili až dáta získané družicou WMAP, ktorá skúmala kozmické mikrovlnné pozadie. Z približne priamočiarej trajektórie tohto žiarenia vyplýva, že aj samotný priestor je dôsledkom zrýchľujúcej sa expanzie takmer úplne plochý.

Materiál zoskupený vo hviezdach a galaxiách ani po pripočítaní tmavej hmoty zďaleka nepostačuje na vysvetlenie pozorovanej rýchlosti expanzie vesmíru. Podľa výpočtov dosahuje len 32 % z požadovanej hodnoty. Dve tretiny vesmíru teda stále „chýbali“.

Jedným z navrhovaných riešení ako doplniť zvyšné percentá prišlo v podobe neznámej formy energie pôsobiacej proti gravitácii. Vďaka svojim mysterióznym vlastnostiam si vyslúžila názov tmavá alebo skrytá energia. Rovnako ako tmavá hmota nevyžaruje ani neodráža svetlo. Inak sa výrazne odlišujú. Temná energia nepôsobí gravitačne, ale presne naopak, a nachádza sa zrejme všade v priestore, pritom netvorí žiadne konkrétne útvary.

Hľadanie podstaty

Je otázne, či sa vesmír bude neustále zväčšovať, alebo v ďalekej budúcnosti opäť prevládne gravitácia a všetko stlačí do nekonečne hustého bodu.2 Odpoveď do veľkej miery závisí práve od vlastností tmavej energie. Háčik je v tom, že povaha tejto sily ostáva ešte aj dnes obrovskou záhadou.



Poniektorí kozmológovia hľadajú odpoveď v zavrhnutej kozmologickej konštante. Aby korešpondovala s pozorovaniami, musí byť oveľa silnejšia ako Einstein pôvodne predpokladal. Neslúži totiž na „vyrušenie“ vplyvu gravitácie, aby zachovala celý vesmír stabilný. Práve naopak, príťažlivú silu mnohonásobne prekračuje. Λ sa považuje za vlastnosť vákua, energiu, ktorá ostane aj po odstránení všetkých častíc a žiarenia. Je pravidelne rozprestretá naprieč celým vesmírom, pričom si vždy zachováva konštantnú hustotu. Aj so zväčšujúcim sa objemom priestoru jej neustále pribúda, a keďže je odpudivá, to následne vedie k ďalšiemu rozpínaniu. Ide o začarovaný kruh.

Podľa tohto scenára v časoch tesne po veľkom tresku nezohrávala kozmologická konštanta takmer žiadnu úlohu. Až zhruba pred 5 miliardami rokov dosiahol vesmír rozmery, pri ktorých hustota tmavej energie dosiahla také hodnoty, že prekonala vplyv gravitácie štandardnej a tmavej hmoty. Dôsledkom je, že od tých čias expanzia vesmíru zrýchľuje, člen Λ sa stáva stále silnejším. V ďalekej budúcnosti je možné, že prevýši nad väzbovou energiou vnútri atómov a každý objekt doslova roztrhá (scenár tzv. „veľkého roztrhania“ pozn. red.).

Možným kandidátom na tmavú energiu je aj hypotetické všadeprítomné pole zvané kvintesencia.3 Malo by predstavovať akúsi modernú obdobu éteru, ktorá sa účinkami veľmi nelíši od kozmologickej konštanty, jedine nie je dokonale homogénna. Kvintesencia teda môže na rôznych miestach nadobúdať odlišné hodnoty, ktoré sa v priebehu času menia. Predpokladá sa, že podobný typ sily bol motorom kozmickej inflácie, extrémne rýchleho zväčšenia kozmu tesne po veľkom tresku.

Iné východiská

Energiu obsiahnutú v „prázdnom“ priestore predpovedá aj kvantová teória poľa. Jej nositeľmi sú tzv. virtuálne častice. Hoci tieto neviditeľné (ale experimentálne preukázané) častice ponúkajú viacero nádejných vysvetlení, do modelu tmavej energie úplne nezapadajú. Keď sa vedci snažili vypočítať množstvo takto vznikajúcej energie vo vesmíre, dostali hodnotu, ktorá až 10120 násobne prevyšuje namerané hodnoty.

O vysvetlenie zrýchľujúcej expanzie sa usiluje aj teória strún a jej rôzne modifikácie. Zatiaľ však bez úspechu. Ďalšou z možností, ako sa postaviť k celej problematike, je predpokladať, že všeobecná teória relativity nie je správna. Čo ak existuje lepšia hypotéza, ktorá nevyžaduje existenciu skrytej energie? Na druhej strane, ani po viac ako sto rokoch nikto nevytvoril teóriu, ktorá by spoľahlivo opisovala také množstvo dejov počnúc trajektóriou planét a končiac čiernymi dierami.




Boli tmavá hmota a tmavá energia spochybnené? Čitatelia, ktorí sledujú novinky z vedy možno nedávno zachytili správy tvrdiace, že nové výskumy jeden aj druhý koncept spochybnili. Ako vo svojom videu vysvetľuje známy teoretický fyzik Sean Carroll, oba koncepty stoja na oveľa solídnejších dátach, než dokázali uvedené štúdie spochybniť (a teda nie, výskum ocenený Nobelovou cenou nebol vážne spochybnený).



-



-

Poznámky
1. Za objav zrýchľujúceho sa rozpínania vesmíru bola v roku 2011 udelená Nobelova cena za fyziku. Ocenenie si prevzali Saul Perlmutter, Adam Riess a Brian Schmidt.
2. V súčasnosti prevláda názor, že rozpínanie bude postupne spomaľovať, no nikdy úplne neustane. O možných alternatívach konca vesmíru viac v tomto článku.
3. Názov kvintesencia pochádza z latinského Quinta Essentia, čo v preklade znamená piaty element. V prípade potvrdenia by toto pole skutočne predstavovalo piaty druh základnej fyzikálnej sily. V minulosti tento pojem označoval éter.

Zdroje
http://www.ceskatelevize.cz/porady/10391317150-vesmir/212382553450019-temna-hmota-a-temna-energie/
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
http://www.space.com/20929-dark-energy.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy#Cosmic_microwave_background
https://en.wikipedia.org/wiki/Quintessence_(physics)
http://www.astronomytoday.com/cosmology/quintessence.html
http://www.universetoday.com/45771/quintessence/#
Brian Greene, Struktura vesmíru – čas, prostor, povaha reality, Paseka (2012)
Paul J. Steinhardt, Neil Turok, Bez počátku a konce - Nová historie vesmíru, Paseka (2009)

Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail