Záhada skryté hmoty stále nerozluštěna

 

Záhada skryté hmoty stále nerozluštěna

Astronomie v průběhu 20. století dostala řadu pohlavků. Kdyby je měl absorbovat jeden konkrétní astronom, musel by si připadat jako zápasník wrestlingu.

 

Když v polovině 90. let hledali astronomové první planety u cizích hvězd, zcela logicky nepředpokládali, že svým vybavením objeví hned malé planety podobné Zemi ale spíše daleko větší světy jako je náš Jupiter. Obr Sluneční soustavy oběhne naší mateřskou hvězdu za 12 let, takže se s ohledem na platné teorie o vzniku planet předpokládalo, že také ostatní obři kdekoliv ve vesmíru budou obíhat s periodou v řádu několika let. Jaké bylo překvapení, když všem vypálila rybník dvojice Švýcarů s planetou podobnou Jupiteru a dobou oběhu 4 dny!

 

To jsou však v rámci astronomie jen malé příběhy. Daleko horší noční můru představuje chování samotného vesmíru.

 

Když se podíváme do dalekohledu nebo na snímky z kosmických družic, vše co vidíme – hvězdy, planety, galaxie, mlhoviny, tvoří jen 5% celkové hmotnosti vesmíru.

 

Nejvíce hmoty tvoří skrytá energie (68%), která je v teoretické fyzice vysvětlením zrychlujícího se rozpínání vesmíru. Zbývajících 27% připadá na skrytou hmotu.

 

Současné rozložení hmoty ve vesmíru.

 

Něco nesedí…

Naše Galaxie neboli Mléčná dráha je tvořena nejméně 100 miliardami hvězd a má průměr přes 100 tisíc světelných let. Přestože se jedná o obří útvar, je pouhým semínkem v obřím vesmíru. Astronomové dnes odhadují celkový počet galaxií na nejméně 120 miliard!

 

Galaxie se sdružují do větších celků, kterým se říká kupy a ty do nadkup. V roce 1933 si astronom Fritz Zwicky povšiml podivného chování galaxií v kupě Abell 1656 v souhvězdí Vlasy Bereniky. Zwicky měřil pohyb galaxií využitím Dopplerova jevu a dospěl k závěru, že je něco špatně. Pohyb galaxií byl v rozporu s celkovou odhadovanou hmotností kupy. Jako kdybychom podstatnou část hmoty neviděli. Zwicky pro tento jev vymyslel termín, který se dnes předkládá jako skrytá nebo temná hmota.

 

Poznámka: Dopplerův jev popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného oproti vysílanému signálu, způsobenou nenulovou vzájemnou rychlostí vysílače a přijímače. V astronomii se často pracuje se spektrem a spektrálními čárami, které odpovídají jednotlivých chemickým prvkům. Pokud se od nás těleso vzdaluje, posouvají se spektrální čáry k rudému konci spektra, pokud se k nám přibližuje, posouvají se k modrému konci.

 

Skrytá hmota dělá problémy také uvnitř galaxií. Pomoci Dopplerova jevu můžeme změřit orbitální rychlost hvězd, které obíhají okolo centra. Případně můžeme poprosit radioastronomy, aby se podívali na zoubek chladného plynu, který sahá mnohem dál od centra galaxie než hvězdy. Tento plyn absorbuje světlo vzdálených hvězd a vyzařuje v čáře vodíku v oblasti okolo vlnové délky 21 cm.

 

Co změříme? Orbitální rychlost ve směru od galaktického centra bude postupně růst na hodnotu 100 až 120 km/s, kde se zastaví a zůstane téměř konstantní až do nejvzdálenějších končin.

 

Jenomže takhle to prostě fungovat nemůže. Když pořídíme snímky galaxie, povšimneme si, že „nejvíce svítí“ v oblasti kolem centra a s rostoucí vzdáleností tato plošná jasnost klesá. Je to kvůli tomu, že v okolí centra je nejvyšší hustota hmoty. Naše Slunce najdeme asi 26 tisíc světelných let od centra a asi není nutné dodávat, že zde na galaktickém předměstí je to k dalším hvězdám pořádně daleko. Blíže k centru je ale hustota hvězd vyšší.

 

Podobné rozložení hmoty nám říká, že orbitální rychlost by měla od centra postupně klesat, podobně jako je tomu ve Sluneční soustavě, kde je také hmota soustředěna převážně do jednoho místa (Slunce). Merkur má orbitální rychlost v průměru kolem 47 km/s, Země 30 km/s a Jupiter jen 13 km/s.

 

Galaxie se však chovají jinak a podle astronomů je jediným možným vysvětlením existence další hmoty, kterou nevidíme, ale pozorujeme její gravitační vliv. Ten se projevuje také jinak. V teorii o vzniku a vývoji vesmíru nebo v gravitačním čočkování.

 

Pokud máme vzdálený objekt (například galaxii) a před ní se dostane další hmotný objekt (jiná galaxie) dojde působením gravitace v souladu s teorií relativity k ohybu a zesílení světla vzdáleného objektu. Čočkování vzdálené galaxie vyvolá posun jejího obrazu či dokonce jeho znásobení. Vše závisí na hmotnosti blízké galaxie, která je ovšem v silném rozporu s hmotnosti, kterou odhadujeme na základě „zářivosti“ galaxie.

 

Rozložení skryté hmoty zjištěné pozorováním gravitačních čoček Hubblovým dalekohledem.

 

Sčítání hmoty

Vraťme se ale ve vesmírné hierarchii o stupínek výše. Co tedy tvoří galaktické kupy? V první řadě jsou to samotné galaxie. Mnohem větší porce hmoty připadá na mezigalaktický plyn. Ten je sice velmi řídký a v kterékoliv pozemské laboratoři by byl považován za téměř dokonalé vakuum, ale i ta největší laboratoř je příliš malá ve srovnání s obrovským vesmírem. Třetí složkou by pak měla být skrytá hmota, která tvoří až 900% hmoty galaxie (pozor, neplést s celkovou hmotou vesmíru).

 

Co tvoří skrytou hmotu?

Skryté hmotě se občas říká také temná, ačkoliv řada astrofyziků tento termín nemá příliš v oblibě. Na druhou stranu je inspirací v tom, kde zahájit pátrání po případných pachatelích. Skrytou hmotu by mohly tvořit objekty a útvary, které jednoduše nevidíme, neboť vyzařují velmi málo záření. Zmíněný mezigalaktický plyn lze pozorovat v rádiové části spektra a jeho sčítání ukazuje, že na vysvětlení existence skryté hmoty nestačí. Jsou zde ale také hnědí trpaslíci – objekty na pomezí hvězd a planet, které vyzařují jen velmi málo světla. Ještě zajímavější jsou bludné planety bez hvězd, vyhozené z planetárních systémů při interakci s jinými planetami. Podle odhadů jich může být dokonce více, než samotných hvězd. Dalším populárním kandidátem mohou být černé díry. Nic z toho ale ani zdaleka nevysvětluje celkovou porci skryté hmoty.

 

Pro vysvětlení záhady tak astrofyzikové směřují svůj pohled do světa částic. Skrytá hmota dle současných názorů nebude mít pouze jednu komponentu ale minimálně dvě – horkou a chladnou hmotu nebo tři, kdy se hovoří ještě o teplé hmotě.

 

Alpha Magnetic Spectrometer na vnější straně Mezinárodní kosmické stanice (viz šipka).

 

Část skryté hmoty by mohly tvořit neutrina. Tyto částice vznikají v nitrech hvězd, při výbuchu supernovy ale třeba také v jaderných reaktorech nebo v atmosféře vlivem kosmického záření. Jen naší dlaní projde každou sekundu několik bilionů neutrin z vesmíru! A to nejen dlaní, neutrina dokáží projít celou Zemí. Však to byla právě neutrina, které si posílali vědci skrz Zemi a na krátkou dobu vyvolali paniku, když chybně změřili rychlost větší, než je posvátná rychlost světla.

 

V souvislosti se skrytou hmotou se hovoří o reliktních neutrinech, které vznikly krátce po velkém třesku. Jejich teplota se dnes pohybuje pod 2 Kelviny, takže je velmi nesnadné je s ohledem na nízkou energii detekovat.

 

Neutrina budou tvořit jen malou část skryté hmoty. Zbytek patrně připadá na dosud neobjevené (byť v mnoha případech očekávané) částice.

 

A tak se vědci snaží najít klíč v urychlovačích částic i detektorech hluboko pod zemí nebo na oběžné dráze – třeba pomoci přístroje Alpha Magnetic Spectrometer, který je zavěšen na konstrukci Mezinárodní kosmické stanice.

 

Galaktický kanibalismus: všechno je jinak?

Galaxie se mohou ve vesmíru srážet a vzájemně interagovat. Místo oficiálního termínu galaktický kanibalismus si zaveďme romantičtější pojem galaktická svatba. Stejně jako byly v některých zemích nemilosrdně dlouho dopředu domluvené svatby, čeká také naši galaxii nezvratný osud. Nevěstu naši galaktické domoviny můžete najít 2,5 milionů světelných let daleko v souhvězdí Andromedy. Slavná galaxie v Andromedě směřuje k nám a to rychlostí 100 km/s. Za nějakých 4 miliardy let tak Mléčná dráha a galaxie v Andromedě splynou.

 

Srážka dvou galaxií NGC 4676

 

Co když ale oba snoubenci převezli všechny okolo a nejsou si ani zdaleka cizí? Co když se nejen znají, ale měli spolu dokonce kdysi dávno poměr?

 

Abychom to převedli do astronomické terminologie. Hongsheng Zhao University of St Andrews přišel vloni se svými kolegy se zajímavou teorií. Podle jeho názoru se galaxie v Andromedě s tou naší střetly už před 10 miliardami let. Poté se rozešly, vzdálily se na vzdálenost 3 milionů světelných let a nyní zase nezadržitelně míří k velkému objetí.

 

Vtipné je, že tato odvážná teorie velmi elegantně a přesně vysvětluje strukturu obou galaxií i mnoha menších (satelitních) galaxií v jejich okolí.

 

Autoři studie se nemohli opřít o klasické chápání gravitace, které popsal Newton a výrazně doplnil Einstein. Na pomoc si proto vzali ještě podstatně méně známého Mordechaje Milgroma z Izraele a jeho teorii modifikované Newtonové dynamiky (MOND) z 80. let.

 

MOND byla poprvé v historii využita k simulaci pohybů Místní skupiny galaxií, což je kupa, ve které jsou vedle 30 galaxií i Mléčná dráha a galaxie v Andromedě.

 

 

Výsledky simulací sice pěkně vysvětlují strukturu galaxií i celé skupiny ale narážejí na jeden problém. Pokud existuje temná hmota, musela by zafungovat jako med a obě galaxie navždy spojit v jednu.

 

Připustíme-li, že závěry simulací jsou pravdivé, byl by to hřebíček do rakve celé teorii o existenci skryté hmoty. Problém tak nemusí ležet v existenci hypotetických částic ale v chybném pojetí celé gravitace. Je však dobré zdůraznit, že tato teorie patří k těm minoritním.

 

Zajímá Vás věda a technika? Zkuste naše moderované rozcestí na to nejlepší z internetu... | Moderované rozcestí - techWEEK >>>

 

Zdroje:
http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2014/02/dark-gravity-dark-matter-might-not-exist-todays-most-popular.html
Wikipedia

 

Další příspěvky autora: exoplanety.cz

---

Články ve stejných kategoriích:

Vesmír   Záhady   Temná energie   Zajímavé video