Pátrání po temné hmotě. Dočkáme se řešení fyzikálního skandálu?

aktualizováno 
Velký americký experiment LUX by měl na konci října vydat své výsledky pátrání po hmotě, která by měla tvořit pětinu vesmíru, ale kterou jsme ještě ani nezahlédli. Výsledky by mohly zcela zásadně posunout nebo změnit naše chápání světa.

Vodní nádrž o rozměrech 6x8 metrů, která stíní detektor LUX. Je umístěný cca 1480 metrů pod zemí u města Lead v Jižní Dakotě. | foto: LUX, C.H.Faham

Současná fyzika má i přes nepopiratelné úspěchy na kontě celou řadu "skandálů". Jedním z nich je i fakt, že nám zřejmě v inventuře chybí větší část hmoty, která tvoří náš vesmír.

"Aféra" pohřešované hmoty má začátek v roce 1933, kdy si švýcarský astronom Fritz Zwicky všiml, že v galaktické kupě Coma něco nesedí. Objekty na jejím okraji se pohybovaly tak rychle, že se by měly rozletět do všech stran, kdyby na ně měla působit jen gravitační síla hmoty, kterou vidíme.

Hvězdy by se měly chovat jako závaží, které roztočíte na tenkém provázku. Dokud je provázek krátký, může vydržet, čím bude delší, tím spíše se při stejné rychlosti otáček (tj. úhlové rychlosti) nakonec utrhne. Astronomovo pozorování, kterému se v jeho době nedostalo příliš pozornosti, postupně potvrdila a zásadně zpřesnila řada dalších.

Hlavní úlohu hrála Američanka Vera Rubinová a její přesné a přesvědčivé určení rychlosti rotace hvězd v galaxii v Andromedě. Pokud na hvězdy působí gravitace hmoty, kterou vidíme, podle fyzikálních zákonů by měly rotace hvězd na okrajích galaxie být pomalejší než hvězd blízko středu.

Ještě temnější energie

Kromě temné hmoty předpokládají současné fyzikální hypotézy, zda neexistuje tzv. temná energie. Jak se zdá z pozorování vzdálených hvězd, vesmír se - navzdory gravitaci - rozpíná a toto rozpínání se zrychluje. Proč, to nevíme. Proto byl zaveden koncept tzv. temné či skryté energie, která působí (na rozdíl od gravitace) odpudivě a vede k rozpínání vesmíru.

Hlavním kandidátem na zdroj temné energie byla tzv. energie vakua. Vakuum není podle měření třeba sondy Voyager a jiných experimentů jen prázdný prostor, ale mají v něm například spontánně vznikat neustále částice a antičástice, které zase zanikají.

Problém je v tom, že v experimentech naměřená hodnota zrychlení rozpínání vesmíru je zhruba 100 řádů vyšší než hodnota zrychlení, které by odpovídalo hustitě energie vakua předpověděné současnou teorií. Někde je chyba, a to dosti velká.

Stejně jako tomu je třeba v naší sluneční soustavě: Merkur je na oběžné dráze mnohem rychlejší než třeba Uran. Ten by se při stejné rychlosti už dávno vydal na vlastní cestu vesmírným prostorem a zbytek planet nechal daleko za sebou. Ale Rubinová nic takového nenaměřila, rychlost rotace hvězd kolem galaktického středu byla víceméně stále stejná, bez ohledu na vzdálenost.

A co s tím?

Proč se galaxie nechovají stejně jako zbytek vesmíru? Tak to je otázka, nad kterou si astronomové a fyzikové už desítky let marně lámou hlavu. Hypotéz je celá řada, ale tou dnes zdaleka nejuznávanější a nejobecněji přijímanou je existence tzv. temné hmoty. I když ji nikdo nikdy neviděl, mělo by jí podle výsledků z rovnic relativistické fyziky být zhruba pětkrát více než hmoty "viditelné" (tzv. baryonové). (Měla by tvořit cca 23 procent vesmíru, naše hmota necelých pět procent. Zbytek jde na vrub tzv. temné energie, o které se dozvíte více v boxu vlevo.)

Fyzikové a astronomové jednoduše předpokládají, že ve vesmíru je velké množství hmoty, kterou z nějakého důvodu nemůžeme pozorovat. Zřejmě by ji měly tvořit částice, které těžko hledají "společnou řeč" s naší běžnou hmotou (tedy i hmotou našich teleskopů a detektorů).

Umísťování optických detektorů (fotonásobičů), které zachycují stopy srážek...

Z fyzikálního hlediska to není nic nepředstavitelného. Například známá neutrina (proslulá falešnou "nadsvětelností") jsou částice, které zcela běžně prolétají hmotou, aniž bychom si toho všimli. Slunce jich vyrábí velké množství, spousta jich k nám přilétá z vesmíru, a tak neutrina prochází Zemí i námi prakticky neustále ve vytrvalém, přesto neviditelném proudu.

Neutrina ovšem z různých důvodů nejsou favority na hlavní složku temné hmoty. Jedním z favoritů je částice s podobným názvem, tzv. neutralino (více ve Wikipedii). Tato zatím jen předpovězená, elektricky neutrální částice by neměla být ovlivňovaná ani tzv. silnou silou, která drží pohromadě atomová jádra, ani elektromagnetickou silou. Výpočty ukazují, že v raných fázích existence vesmíru, kdy byl velmi horký, mohlo vzniknout velké množství neutralin. Protože má jít o absolutně stabilní částice, měly by zhruba 13 miliard let od svého vzniku přežít v původní podobě.

Už to bude, už to bude

Teď už jde jen o to, aby některou z těchto částic někdo viděl. Ne, že by se vědci nesnažili. Když se v roce 1980 sešli na Harvardu přední odborníci nad prvním velkým sympoziem na téma temné hmoty, její "objevitelka" Vera Rubinová odhadovala, že do deseti let budeme vědět, co tuto záhadnou složku vesmíru tvoří.

O mnoho konferencí později, při jiném vědeckém setkání v roce 1990, prohlásil slavný britský astronom Martin Rees, že odpověď na to, co tvoří temnou hmotu, bychom měli znát do deseti let. V roce 1999 Ress požádal o odklad a řekl, že je "velmi optimistický" a odpověď by mohla být známa do pěti let.

Je asi zbytečné dodávat, že stále nevíme nic určitého. Teoretici mají řadu teorií, ale experimentátoři zatím nedokázali žádnou z nich potvrdit (i když už nějaké vyvrátili). Výsledky jsou rozporuplné: italský experiment DAMA/LIBRA naznačil, že by skutečně mohly nějaké podobné částice existovat. Ovšem nikdo jiný výsledky nepotvrdil, a tak přesvědčivé samy o sobě nejsou. V roce 2010 přišly se zajímavými měřeními, ale rozhodně ne jasnými důkazy, detektory v Minnesotě a Kalifornii - jde o experimenty Coherent Germanium Neutrino Technology a Cryogenic Dark Matter Search. Další pokus, XENON100, umístěný v laboratoři Gran Sasso v Itálii, kde se byl podívat i Technet, naopak nic neviděl.

Nepřehledná situace by se mohla alespoň trochu vyjasnit v polovině příštího týdne. Třicátého října by měl výsledky zveřejnit tým pracující na zařízení nazvaném LUX (Large Underground Xenon Detector, tedy velký podzemní xenonový detektor).

V podstatě jde o velmi dobře odstíněnou, hluboko pod zemí umístěnou nádrž s kapalným i plynným xenonem. Vědci sledují následky srážek prolétajících částic s xenonem v nádrži a podle charakteru těchto "nehod" zpětně počítají, o jaké částice šlo. Zní to jednoduše, praxe je samozřejmě mnohem komplexnější, než můžeme v našem článku popsat.

Detektor umístěný v podzemí Jižní Dakoty by měl být zatím nejcitlivější vůbec. Měl by být dostatečně přesný, aby vyloučil řadu předpovězených podob neutralin. Ne že by vyloučil neutralina úplně, to nedokáže, ale může říct, že zřejmě neexistují v té podobě, kterou jim teoretici předpovídají nejspíše.

Pokud by výsledky byly alespoň přesvědčivě "kladné", znamenalo by to velmi zajímavý posun vpřed. Záleželo by na přesných parametrech pozorování, a pak samozřejmě na dalších návazných experimentech, ale byl by to nepochybně ohromný úspěch.

Pohled na nádobu s xenonem, která je jádrem LUX. Kolem je již zmíněná stínící...

A také nečekaný. Jak shrnuje časopise Nature, který na vyhlášení výsledků LUX upozornil v posledním čísle, odborníci spíše očekávají záporný výsledek pozorování. "Ani já nečekám převrat", říká Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd. Podle něj už proto, že po nedávné blamáži se špatným měřením "nadsvětelných" neutrin na detektoru OPERA budou lidé k experimentu velmi opatrní a zdrženliví.

Ale i kdyby LUX nic nepozoroval a dobře to doložil ve výsledcích, bude to zajímavé. Některé populární představy by měly být ze hry, ale otázka povahy temné hmoty nepřestane být méně palčivá. Lovci se budou muset poohlédnout jinde. Nejprve nejspíš tam, odkud pochází neutralino, tedy ve skupině částic, které vědci dohromady označují jako WIMP. 

Wimp je anglický výraz pro slabocha či padavku, ale také zkratka pro Weakly Interacting Massive Particles, tedy slabě interagující hmotné částice. Jak napovídá název, jejich společnou vlastností by mělo být, že jsou k hmotě, ze které je tvořen náš viditelný vesmír, prakticky netečné. Ovlivňovat by je měla jen gravitace (odtud domnělý efekt na rychlost rotace hvězd v galaxiích).

Možná také na popularitě získají odvážnější hypotézy, které počítají s mnohem exotičtějšími řešeními "aféry" temné hmoty. Řada těchto představ je pro většinu fyziků dnes těžko přijatelná. Příští týden by mohlo být jasnější, zda v blízké budoucnosti nebudou muset svou představivost více rozhýbat.

 

Nejčtenější

Dětem škodí obrazovky a displeje. Ale jinak, než si rodiče obvykle myslí

Jak všudypřítomné displeje ovlivňují výchovu dětí? (ilustrační fotografie)

Světová zdravotnická organizace vydala nová doporučení ohledně aktivit vhodných pro malé děti. Nejvíce pozornosti si...

Třímachový zabiják letadlových lodí Suchoj T-4 byl velkým žroutem rublů

Suchoj T-4

Historie letectví se pozoruhodnými stroji jenom hemží. Jedním takovým byl i sovětský bombardér Suchoj T-4. Vznikl pouze...

Poslední vrtulník. Začíná předehra zcela zapomenuté letecké tragédie

Reklama NYA zvoucí k cestování v proudové době.

Byla to budova, kterou by někteří obyvatelé New Yorku nejraději hned po dokončení nechali zdemolovat. Místní bar s...

Aktualizujte si WhatsApp. Kvůli chybě vás mohli útočníci odposlouchávat

Aplikace WhatsApp (ilustrační obrázek)

Nový trik využívající chybu v komunikační aplikaci WhatsApp umožnil na základě zmeškaného hovoru nainstalovat do...

Statisíce posluchačů přišly o svá internetová rádia, náprava je pomalá

DAB rádio Pure Oasis Flow

Mnoha posluchačům internetových rádií zmizely předvolené stanice i jimi přidané streamy. Největší výrobce čipů pro...

Další z rubriky

Brontosaurovi potvrdili jméno až v roce 2015. Práskal ocasem jako bičem

Stádo brontosaurů na pochodu. Tito obří sauropodi se zřejmě sdružovali do...

Brontosaurus, tedy v doslovném překladu „hřmotný ještěr“, patří k nejznámějším a nejpopulárnějším dinosaurům vůbec....

Kilogram má novou definici. Jeho fyzická podoba ztratila 50 mikrogramů

Kopie originálu kilogram z Paříže v americké laboratoři Sandia. Podobné vzory

Od 20. května začala platit nová definice kilogramu. Ta již nebude mít fyzickou podobu, ale bude odvozená od pevné...

Vědci částečně obnovili činnost zvířecích mozků několik hodin po smrti

Prase domácí

Vědcům se podařilo částečně obnovit činnost v mozku zvířat zabitých o několik hodin dříve. Speciální umělý oběh znovu...

Nejlepší dětské knihy podle věku: Testujeme na vlastních dětech
Nejlepší dětské knihy podle věku: Testujeme na vlastních dětech

Dětských knih je na trhu velké množství, a tak je někdy složité najít tu pravou, která bude děti opravdu bavit. My jsme vyzkoušeli osm knížek. Podívejte se, jak v testu našich „redakčních“ potomků obstály, a nechte se inspirovat.

Najdete na iDNES.cz