Jak temná je temná hmota? … a uvidíme ji někdy? Není to jen výmysl astrofyziků?

To, co vidíme, tvoří zhruba 4,9 % hmoty obsažené ve vesmíru. Ten zbytek je temná hmota (26,8 %) a temná energie (68,3 %). Zatímco o temné energii toho moc nevíme, o temné hmotě začínáme mít docela dobrou představu, jen nám chybí její přímá detekce. Ale vypadá to, že se blýská na lepší či doslova světlejší časy!

Temná hmota zní víc jako přísada do alchymistova kotlíku než jako vědecký termín, nicméně se jedná o skutečnou fyzickou hmotu, které je náš vesmír plný. Její problém je v tom, že je temná. Člověku by se mohlo zdát, že to znamená, že je černá. Ale černé věci ve skutečnosti jen odrážejí minimum světla ze svého povrchu (ale pořád odrážejí), kdežto temnou hmotu žádné světlo nevzrušuje, neodráží jej, zkrátka nic. Je jím téměř netknutá, neinteraguje. Vědecká komunita obecně uznává teorii, že temná hmota se sestává z takzvaných WIMPs – weakly interacting massive particles – slabě interagujících hmotných částic. Máme jen jediný problém, moc o WIMPs nevíme.

Simulace toho, v jakém množství temné hmoty (modrá barva) se koupe naše galaxie. Zdroj Credit: NASA, ESA, T. Brown a J. Tumlinson (STScI).

Jak je možné, že jsme si tolik jisti existencí temné hmoty? Temná hmota sice neinteraguje se světlem, ale protože má hmotnost, působí gravitačně. A je známo, že gravitace má ve vesmíru nemalé slovo.

Jedním z prvních pozorování, které pomohly prokázat existenci temné hmoty, je pozorování rychlostí pohybu galaxií v kupách galaxií, největších gravitačně vázaných systémech. Galaxie se jednoduše chovaly jinak, než odpovídalo celkovému součtu jejich hmotností. Chovaly se, jako kdyby byly o hodně těžší. A právě onu neviditelnou tíhu umí vysvětlit temná hmota.

Dalším poměrně přesvědčivým projevem je gravitační čočkování, kde se hmotné objekty chovají jako čočky a zobrazují nám obrazy objektů mnohem vzdálenějších. Rozložení hmoty gravitační čočky také potřebuje onu neviditelnou přidanou hmotu, aby mohlo fungovat a vysvětlit pozorované obrazy.

Usměvavé oblouky způsobené gravitačním čočkováním. Oblouky jsou vlastně zkreslené obrazy vzdálených objektů. Zdroj: NASA / ESA.

Jedním z projevů existence temné hmoty jsou i takzvané rotační křivky. O co jde? Představte si nějakou pěknou galaxii tvaru spirály, jako je třeba galaxie v Andromedě. Podle staré teorie by hvězdy v takové galaxii měly rotovat kolem jejího středu pomaleji a pomaleji, čím dál jsou od centra galaxie. Nicméně přesná měření ukazují, že tomu tak není, že rychlost hvězd v závislosti na vzdálenosti od středu spirální galaxie se v určité vzdálenosti ustálí na téměř konstantní hodnotě. Spirála se tak dál ‘nezamotává’. Musí to znamenat, že hmotnost obíhajících hvězd je všude skoro stejná, jenže na okraji galaxií je hvězd prokazatelně méně než blízko středu. Na pomoc přichází opět temná hmota. Tenhle gravitační projev temné hmoty nám prakticky říká, že okraje spirálních galaxií jsou extrámně bohaté na temnou hmotu. A právě na ty sázíme pro přímou detekci temné hmoty.

Představte si, že zde opravdu existuje slabá interakce mezi fotony vyzářenými hvězdami v galaxii a temnou hmotou. Relativně energetický foton z centrální oblasti galaxie by se mohl rozptýlit na částici temné hmoty a mohl by způsobit zdánlivé zjasnění krajních částí galaxie. Proměřením zjasnění bychom získali pravděpodobnost interakce mezi fotony a temnou hmotou, kterou si můžeme představit jako ‘šanci, že na nás temná hmota blikne’.

Spirální galaxie M31 v Andromedě. Autor Jacob Bers.

Metoda zní docela jednoduše, nicméně prozatímní výsledky se jeví poměrně pesimisticky. Metodologie je dobrá, i teorie, jen dalekohledy bychom potřebovali lepší. Test metody byl prověřen na galaxii M101. Ukázalo se, že máme problém rozlišit náležitost hvězd disku a vnějších částí galaxie. Jasnosti ‘jaké by měly být’ a ‘jaké jsou’ nám tedy splývají dohromady. Teoretici spočítali, že efekt by měl být snáze detekovatelný na delších vlnových délkách, nicméně takový experiment zatím nikdo neprovedl. Metoda sama o sobě ale vypadá velmi slibně. Pokud bychom navíc uměli tahle zablikání detekovat na různých vlnových délkách, mohli bychom odvodit, jak vypadá ‘spektrum temné hmoty’. Zkrátka a dobře, pro temnou hmotu se blýská na jasnější časy.

Jana Poledniková