Profesor dr. Pavel Kroupa (*1963) je český astrofyzik působící na Karlově univerzitě v Praze a rovněž na univerzitě v německém Bonnu. Nedávno se v Německu spolu s kolegy Dongem Zhangem a Akram Zonooziovou věnoval zkoumání temné hmoty ve známém vesmíru – a jejich výzkum naznačil možnost natolik převratnou, že by to v našem chápání vesmíru mohlo způsobit doslova zemětřesení.
Cesta člověka k porozumění vesmíru byla dlouhá a složitá. Díky tisíciletému hromadění poznatků jsme sice postupně začali lépe chápat, odkud se náš svět i celý vesmír vzaly a jak asi skončí, přesto však stále nejsme u konce.
V 60. letech minulého století došlo ke konečnému potvrzení teorie Velkého třesku. Tento vědecký úspěch ale vzápětí nastolil další otázky – jestliže víme, jak vesmír začal a že se stále rozpíná, jak potom skončí? Bude se rozpínat pořád dál a dál, nebo se jeho rozrůstání jednoho dne zastaví a pak obrátí? Je možné, že by ve vzdálené budoucnosti skončil jakýmsi Velkým krachem?
Právě tyto myšlenky vedly vědce k tomu, že se začali zabývat měřením množství hmoty ve známém vesmíru. Jestliže by se v pozorovatelném vesmíru nacházel dostatek galaxií (a v nich samozřejmě všech ostatních hmotných objektů – hvězd, planet, mlhovin atd.), měla by jejich vzájemná přitažlivost stačit k postupnému zpomalení rozpínání vesmíru. Kdyby se však ukázalo, že hmoty pozorujeme méně než tuto vypočítanou „kritickou hustotu“, ukazovalo by to spíše na druhý možný scénář. Podle něj by se pak měl vesmír zvětšovat stále dál, dokonce možná až natolik, že by postupně přibývalo i prázdného prostoru mezi hvězdami v galaxiích a ty by se nakonec rozpadly. A nejodvážnější teoretici navrhli ještě smělejší představu – zvětšování prázdného prostoru by prý nakonec vedlo až k roztrhání samotných atomů.
Na stopě budoucnosti
Jestliže chtěli lidé tuto hádanku vyřešit, bylo zapotřebí začít nanejvýš pečlivě mapovat oblohu. Prvním dílkem do skládačky přispěla americká astrofyzička Margaret Gellerová (*1947), která koncem osmdesátých let na základě pozorování sestavila mapu více než tisícovky galaxií v okolí Mléčné dráhy. V té době se předpokládalo, že budou Mléčnou dráhu rovnoměrně obklopovat ze všech stran jako koule, Gellerová však zjistila něco jiného: v rozmístění galaxií byla patrná jasná struktura. Objevily se oblasti prázdné i ty, které se galaxiemi jen hemžily. Celá mapa nakonec připomínala rybářskou síť nebo dokonce včelí plásty.
Potíž byla v tom, že takové výsledky byly v rozporu s tehdejšími vypočítanými odhady množství hmoty ve vesmíru. Podle nich by hmoty nemohlo být v žádném případě dost, aby gravitace podobnou strukturu dokázala vytvořit.
Pak tu byly ještě o něco starší výzkumy Švýcara Fritze Zwickyho (1898-1974). Tento vědec měl sice záštiplnou povahu, ke svým kolegům se choval nesnášenlivě a nadával jim vulgárními výrazy, jeho vědecké kvality ale byly nezpochybnitelné. Ve své práci byl fascinován hlavně kupami galaxií, přičemž si kladl otázku: jak silná gravitace by byla potřebná k tomu, aby se chovaly podle pozorování? Tedy aby kolem sebe vzájemně kroužily, ale žádná z nich kupu nedokázala opustit? Došel k závěru, že potřebnou gravitaci by dokázalo vygenerovat jen zhruba stokrát více hmoty, než kolik jí bylo v kupách pozorováno. Byl to proto právě on, kdo poprvé nadnesl myšlenku existence hmoty, kterou nejsme schopni vidět – takzvané „dunkle Materie“, česky temné hmoty. Tuto představu pak přejala celá odborná veřejnost.
Pouze tu a tam se našli ojedinělí vědci, kteří o ní měli zájem polemizovat. Jedním z nich je izraelský částicový fyzik Mordechaj Milgrom (*1946), který přišel s odlišnou teorií zvanou „modifikovaná newtonovská dynamika“ neboli MOND. Jedná se o myšlenku, že pozorované pohyby galaxií v kupách můžeme vysvětlit i bez temné hmoty, a to tím, že přehodnotíme naše chápání Newtonových zákonů. Podle Milgroma je možné, že neplatí vždy naprosto stejně, ale v podmínkách velmi malého zrychlení se gravitace začne chovat jinak a je silnější. Takovou představu dlouho téměř nikdo nebral vážně – jenže díky práci našeho profesora Kroupy se nyní zdá, že jí budeme muset věnovat pozornost.
Český vědec mění pravidla hry
Za použití dat ze dvou rozsáhlých projektů, které sbírají údaje z vybraných galaktických kup, přepočítal prof. Kroupa se svými kolegy množství hmoty detekované ve 46 kupách. Dospěli k závěru, že v těchto kupách musí být až dvakrát více běžné hmoty, než se dosud zdálo. Nelze se přitom vlastně divit, že nám její povaha dosud unikala: jedná se například o černé díry, bílé trpaslíky nebo neutronové hvězdy, jejichž přítomnost navíc vysvětluje i zjištěné množství některých těžkých prvků.
Celý výzkum byl nesmírně náročný na množství zpracovaných dat. Bylo nutné nashromáždit detailní informace o každé jednotlivé galaxii, vzít do úvahy gravitační čočkování a další fyzikální jevy, v každé galaxii zvlášť přepočítat množství jejích hvězd a na základě těchto výpočtů provést nové určení množství hmoty v této oblasti vesmíru.
Podle profesora Kroupy se tak nyní zdá, že temné hmoty je ve vesmíru oproti té běžné jen zhruba pětinásobek. Dříve jsme si mysleli, že je to až desetkrát více.
Pokud je to tak, podařil se našemu vědci a jeho kolegům nesmírně zásadní objev. Znamenalo by to, že se jim podařilo přinejmenším částečně odhalit podstatu temné hmoty – a také, že musíme znovu uvažovat o teorii MOND. Tato zjištění totiž přesně odpovídají předpovědím Mordechaje Milgroma.
Navíc tu ještě máme nejasný průběh formování velkých eliptických galaxií, které vznikly poměrně velice rychle – jen asi během miliardy let, přičemž obsahují desetkrát až stokrát více běžné hmoty než Mléčná dráha. Jejich vznik by tak přítomnost temné hmoty vlastně nepotřeboval, přičemž navíc o žádné temné hmotě nevíme ani u dvou trpasličích galaxií obíhajících Mléčnou dráhu (Magellanových mračen).
„Pokud by v Magellanových mračnech byla přítomna nějaká nedetekovaná hmota, musely by se obě galaxie srazit už po první miliardě let své existence,“ říká český vědec.
Nesmíme podle něj zapomínat ani na povahu tzv. mezigalaktického prostředí v kupách, které je tvořeno nesmírně řídkým a nesmírně horkým plynem. Jeho teplota je natolik vysoká, že je lidským očím neviditelný – svítí v oblasti rentgenového záření. Rentgenové observatoře, jako je např. Chandra, o něm ale již dlouhou dobu vědí.
Temnou hmotu nepotřebujeme?
Jak je vidět, lidské porozumění vesmíru stále není úplné. Musíme se ještě mnoho naučit, než dokážeme říci, že již o něm máme jasnou představu. Možná se nám to nepodaří nikdy, ale každý střípek nás k tomu alespoň trochu posouvá.
Jestliže se podaří prokázat, že prof. Kroupa se svými kolegy měl pravdu a temná hmota byl ve skutečnosti omyl, mohla by naše země k tomuto úsilí výrazně přispět.
Zdroje:
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/mp3f-q5dc
https://www.universetoday.com/articles/why-cosmic-dark-matter-is-living-on-borrowed-time