Z čeho se skládá temná hmota a jak ji hledat?

Temná hmota zůstává jednou z nevyřešených záhad vesmíru. Nevíme přesně z čeho se skládá ani jaké má vlastnosti kromě toho, že se neúčastní elektromagnetických hrátek částic. (délka 5 min.)

Znamená to, že na ni nepůsobí minimálně jedna ze základních vesmírných sil. Ty jsou dohromady čtyři - gravitace, elektromagnetická interakce, slabá jaderná síla a silná jaderná síla. Vědci sice neznají fyzikální podstatu temné hmoty, vytvořili ale různé teorie. Proberme ty nejznámější.  

Neviditelná hmota

Temná hmota by se vlastně měla jmenovat neviditelnou. Na rozdíl od naší obyčejné viditelné hmoty nevyzařuje ani nepohlcuje světlo, je lhostejná k částicím elektromagnetické interakce, fotonům. Minimálně jedna z vesmírných sil (gravitace) na ni však působí. A právě díky gravitaci víme o její existenci. 

Prvním, kdo vytvořil teorii o existenci neviditelné hmoty byl americký astronom Fritz Zwicky - a to v už v době, kdy v Evropě přicházel k moci Hitler. Pozoroval vlastnosti jedné z kup galaxií a vypočítal jejich hmotnosti. Všiml si přitom, že mají příliš málo hmoty na to, aby se jí dalo vysvětlit jejich chování. Logicky tedy usoudil, že kromě hvězd, plynu a dalších viditelných složek musí existovat v této kupě galaxií i nějaká neviditelná složka. Tehdy mu ovšem ještě nikdo nevěřil a kolegové se mu dokonce posmívali, že hmotu galaxií spočítal špatně. 

Veře Rubin už v sedmdesátých letech kolegové uvěřili. Právě ona je dnes považována za objevitelku temné hmoty. Pozorovala jednotlivé galaxie a vypočítala rychlost, jakou objekty obíhají kolem jejich center. Všimla si překvapivé věci: rychlost hvězd roste s poloměrem, přestože na okrajích galaxií je mnohem méně viditelných objektů než v jejich středu. 

Složení temné hmoty

Zvláštní průhledná hmota se nemůže skládat z částic, které dnes už věda zná. Žádná ze známých elementárních částic totiž nemá její vlastnosti. 

Nejpopulárnějším kandidátem na složku temné hmoty je tzv. WIMP (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) - hypotetická částice, která se účastní slabé jaderné interakce a má i určitou hmotnost. Částice WIMP by mohly tvořit například halo (kulovitou obálku) naší Galaxie, která by byla pětkrát větší než její viditelná velikost. Rychlost těchto částic by měla být zhruba 300 kilometrů za sekundu. 

Existuje hned několik fyzikálních modelů těchto zajímavých částic. Při experimentálních pokusech vědci už několik z nich vyvrátili, zbývají ale další modely, které na své popření nebo potvrzení ještě čekají. 

Existují také spekulace o tom, že temnou hmotu tvoří axiony, sterilní neutrina nebo dokonce malé černé díry vzniklé na počátku vesmíru. 

Temné hmoty je daleko více než hmoty viditelné

Podle měření vesmírné mise Planck je temnou hmotou tvořeno 26 % vesmíru. Viditelná hmota je tedy v menšině. V průměru je temné hmoty 5-6 krát více než viditelné hmoty, ale není rozložena rovnoměrně: v některých oblastech je jí 16 krát více a v jiných jen 2 krát více než v naší galaxii.  

Viditelná hmota je vlastně indikátorem temné hmoty, je k ní totiž díky gravitaci přitahována. Podle teoretického modelu vznikají obří objekty ve vesmíru gravitačním shlukováním chuchvalců temné hmoty do podoby hal, do nichž se pak koncentruje viditelná hmota. 

A aby to nebylo moc jednoduché, zdá se, že temná hmota není jedinou hádankou vesmíru, kterou ještě musíme vyřešit. 

Další temná příbuzná - temná energie

69 % vesmíru má být totiž tvořeno temnou energií. Zatímco temná hmota je zvláštní forma hmoty, která se neúčastní elektromagnetických interakcí, temná energie je něco naprosto neznámého. Na její přítomnost ovšem poukazuje pozorované rozpínání vesmíru. 

Hypotézy o tom, co je podstatou temné energie, jsou ještě různorodější a exotičtější než je tomu u temné hmoty.

Temná energie by mohla být tzv. kosmologickou konstantou, neměnnou hustotou energie, která rovnoměrně vyplňuje prostor vesmíru. Záhadou dodnes zůstává ale jak její podstata tak její původ.

Jiná teorie říká, že temná energie by mohla být následkem vlivu jiného vesmíru na náš vlastní. Náš svět je trojrozměrný, ale v multivesmíru by mohlo být více rozměrů, mohl by obsahovat více vesmírů, které by pak mohly působit svou gravitací. 

Temná energie by mohla být fyzikálním polem, které urychluje náš vesmír a na konci jeho vývoje ho doslova roztrhá. Veškerá uskupení hmoty se rozpadnou na jednotlivé částice a ty se pak rozpadnou na něco, co zatím věda nezná. 

Pozorování temné hmoty

Vzhledem k tomu, že temná hmota nereaguje na fotony, nedá se pozorovat přímo. Vědci se ji tedy snaží detekovat nepřímými metodami. 

Měly by se dát pozorovat například interakce temné hmoty s běžnou hmotou. Předpokládá se, že částice WIMP jsou poměrně těžké - stokrát těžší než atom vodíku - a srážky těchto částic s jádry běžné hmoty by se tedy mohly dát zaznamenat přístroji. 

Pozorování ovšem ruší vše, co vyvolává srážky s atomy hmoty - například různé druhy záření.  Proto se příslušné experimenty provádějí v podzemí, kde jsou chráněny před vlivem většiny kosmického záření. 

Druhým způsobem, jak detekovat temnou hmotu, je pozorovat její anihilaci, tj. sledovat srážky částic temné hmoty, které se mění na částice známé vědě, a zaznamenávat je. 

Třetím způsobem, jak částice temné hmoty objevit, jsou experimenty na urychlovačích částic. Mohl by se tu pozorovat jejich vznik. Ale ani v tomto případě zatím vědci neměli úspěch… Pozorování temné hmoty se tak stává jednou z nejnapínavějších záhad dnešní fyziky.

Příště: Konkrétní pokusy o pozorování temné hmoty