Tajemství temné hmoty a hledání páté síly

Vědci hledají pátou sílu - základní interakci, kterou by mohla reagovat hmota v našem vesmíru. Pomůže ji nalézt temná hmota? (délka blogu 3 min.)

Viditelný vesmír je jen špička ledovce

Když se v noci díváte na oblohu plnou hvězd a galaxií, vidíte jen malou část vesmíru. Je to na první pohled zvláštní, ale veškeré hvězdy, planety a mlhoviny, které známe, tvoří pouhých pět procent celkové hmoty a energie ve vesmíru. Z jeho chování vyplývá, že přibližně dvacet sedm procent vesmíru tvoří temná hmota, zatímco zbylých šedesát osm procent připadá na ještě záhadnější temnou energii.

Temná hmota je neviditelná – nevyzařuje světlo, neodráží ho a ani ho nepohlcuje. Jak tedy víme, že vůbec existuje?

Proč vědci věří, že temná hmota existuje?

Mimo jiné vědci zjistili, že galaxie se otáčejí příliš rychle na to, aby je držela pohromadě pouze viditelná hmota. Něco neviditelného, něco, čemu říkáme temná hmota, musí působit svou gravitací a bránit galaxiím v rozpadu.

Podle současných teorií se temná hmota skládá z částic, které se pohybují vesmírem, ignorují elektromagnetismus a interagují pouze gravitačně. To znamená, že by měly na seskupení hmoty reagovat stejně jako běžná hmota.

^{Ilustrace: Zdroj: D. Tenzler}

Co když temná hmota podléhá i jiné síle?

Ale co když tomu tak není? Co když temná hmota neinteraguje pouze gravitací, ale podléhá také jiné - doteď neznámé síle?

Ale jak to zjistit? Vědci šli na celou věc oklikou a snažili se zjistit, jestli temná hmota padá do gravitačních jam stejným způsobem jako běžná hmota. Pokud by se temná hmota chovala jinak, mohlo by to znamenat, že na ni působí tzv. pátá síla, neznámá interakce, která je zajímavá mimo jiné proto, že by nám dovolila pochopit zatím neznámou část fyziky vesmíru.

Pohyb temné hmoty

Aby vědci zjistili, jak se temná hmota pohybuje, využili dvě různá pozorování.

První z nich bylo měření rychlostí galaxií, které se pohybují následkem gravitačního působení temné hmoty. Jejich rychlosti se dají měřit pomocí tzv. červeného posuvu, jevu, kdy se světlo pohybujících se galaxií posouvá k delším vlnovým délkám, tedy k červené části spektra.

Druhým experimentem, který vědci využili, bylo měření gravitačního potenciálu, který ovlivňuje pohyb temné hmoty. Ten se měří pomocí gravitačního čočkování, tedy jevu, kdy světlo ze vzdálených galaxií je ohýbáno gravitací temné hmoty, podobně jako světlo procházející čočkou.

Čtyři vesmírné síly

Obyčejná hmota je ovlivněna čtyřmi známými základními silami - gravitací, elektromagnetismem a silnými a slabými jadernými silami, které působí uvnitř atomů. Temná hmota podle platné teorie reaguje jen gravitací - není ovšem vyloučeno, že ve vesmíru existuje ještě pátá síla, která na ni také působí.

Pokud by temná hmota podléhala pouze gravitaci, její pohyb by se řídil Eulerovou rovnicí, matematickým popisem pohybu tekutin. Pokud by však existovala pátá síla, tato rovnice by při popisu jevů nefungovala.

Výsledky studie jsou fascinující. Dnešní výsledky a data, která vědci zatím nasbírali, odpovídají tomu, co předpovídá současná teorie. Temná hmota se chová tak, jak očekáváme a padá do gravitačních jam stejným způsobem jako běžná hmota.

To ovšem ještě nemusí nic znamenat. Možná jsou naše měření jen nedostatečně citlivá.

Vědci zároveň stanovili limity pro možnou pátou sílu. Zjistili, že kladná pátá síla, tedy síla, která by byla přitažlivá, nemůže být silnější než 7 procent gravitační interakce. Záporná pátá síla, která by působila odpudivě, je omezena na 21 procent gravitační interakce. To znamená, že pokud pátá síla existuje, musí být velmi slabá. Existuje také teorie, která popisuje tuto pátou interakci jako souhrn různých vlivů. Mohlo by se jednat o dvě různé neznámé síly nebo jiné jevy - třeba vliv temné energie.

Co by vyvolal objev páté síly?

Takový objev by mohl vyvolat přehodnocení Einsteinovy teorie obecné relativity nebo vést k objevu nových částic a interakcí.

Pátá síla by také mohla souviset s temnou energií, která způsobuje zrychlenou expanzi vesmíru a o které dodnes moc nevíme.

Pokud by temná hmota působila i jinak než gravitací, mohlo by to vysvětlit některé dnes nevyřešené problémy, jako je například rozložení temné hmoty v centrech galaxií.

To všechno jsou velice zajímavá témata - není tedy divu, že se vědci chtějí tématu věnovat i v budoucnu. Chtějí například použít nové generace teleskopů k přesnějšímu měření dat, která nám vesmír poskytuje. Pozemní teleskopy jako Vera C. Rubin nebo Dark Energy Spectroscopic Instrument by mohly zlepšit přesnost měření na úroveň dvou procent.

To by umožnilo zjistit i velmi slabé odchylky od standardního modelu. Možná tedy vědci brzy odhalí nejen tajemství temné hmoty ale také nové fyzikální zákony. Můžeme se těšit na další zajímavé objevy.

^{Zdroj: Odkaz}