I když s existencí temné hmoty a temné energie dnes většina fyziků a astronomů počítá jako s něčím nezpochybnitelným, stále existuje skupina skeptiků, kteří na ni nevěří. Mezi ně však jistě nepatří vědci z kalifornské Pasadeny, kteří se snaží zmapovat působení těchto substancí ve vzdálené kupě galaxií.

Jen máloco budí tolik zvědavosti i kontroverzí jak ve světě odborníků, tak ve světě laiků, jako temná hmota a temná energie. Ačkoliv pro existenci obojího existují pouze nepřímé důkazy, odborníci na vznik a vývoj vesmíru, kosmologové, již poměrně bez skrupulí zahrnují obě tajemné složky do svých modelů.

Modely jsou však jedna věc a skutečnost druhá. Astronomové ani experimentální fyzikové si proto v poslední době nenechají uniknout sebemenší příležitost, aby vlastnosti tajemných »temných stránek« vesmíru zmapovali.

Co oko nevidí…

Z čeho je vlastně náš vesmír složen? Na tuto zdánlivě jednoduchou otázku odpovídá řada velmi složitých astronomických pozorování. Prim zde hraje především pozorování tzv. pozaďového záření, které je jakousi »pečetí«, jíž zanechal velký třesk na okrajích dnešního vesmíru.

Překvapivě nejmenší část vesmíru tvoří podle nich viditelná, tzv. baryonová hmota, soustředěná především v »těžkých« částicích, jako jsou protony či neutrony. Taková hmota, tedy vlastně ta hmota, z níž jsme utvořeni my sami a vše kolem nás, na co si lze sáhnout, tvoří pouhá 4 % vesmíru!

Navíc pouze čtvrtina z ní, tedy pouhé 1 % veškerého vesmíru, dokáže vydávat vlastní světlo a astronomové ji tak mohou přímo vidět. Zbytek připadá na neviditelné složky vesmíru, kterých se světlo, tedy forma elektromagnetická interakce, vůbec netýká.

Tzv. temné hmoty je ve vesmíru okolo 23 %. Zbytek, tedy celých 73 %, připadá na temnou energii.

Kosmická hra na přetahovanou

Příroda naštěstí zná kromě elektromagnetismu další, byť nepoměrně slaběji působící sílu: gravitaci. Temná hmota se proto může stejně jako hmota viditelná prozradit svými gravitačními účinky. Její stopy se astronomům podařilo nalézt jak při pozorování účinků přitažlivosti např. ve velkých kupách galaxií, tak v menších objektech, tzv.

spirálních galaxiích.  Temná hmota působí svou gravitací stejně, jako hmota běžná – přitahuje jednotlivé objekty k sobě. V roce 1998 však přišlo několik astronomických týmů s poznatky, které jejich představy o chování vesmíru jakožto celku opět o něco poupravily.

Z pozorování zvláštních objektů, tzv. supernov typu Ia (viz rámeček) vyplývá, že tyto vzdálené supernovy si to směrem od nás »fičí« rychleji, než se čekalo. Vesmír tedy nejen rozpíná, ale děje se to dokonce s drobným, ale konstantním zrychlením.

Se sílou přitažlivosti se nejspíše neustále přetahuje síla jiná, síla temné energie (tedy jakási »záporná gravitace«) a lehce nad ní vítězí.

Časoprostor plný čoček

Aby vědci zjistili, jak vlastně hra na přetahovanou mezi různými silami ve vesmíru funguje, musejí mít v první řadě k dispozici co nejpřesnější odhad, jak silní vlastně gravitace a její protivník jsou.

Mezinárodní tým vědců, vedený specialisty z Laboratoře pro proudové pohony v kalifornské Pasadeně se k tomu rozhodl využít efektu, který poprvé předpověděla Einsteinova obecná teorie relativity, tzv. gravitační čočky.

V blízkosti velmi hmotných objektů jako jsou např. černé díry, galaxie či celé jejich kupy, se podle Einsteina gravitační pole »ohne« tak, že promění dráhu světelných paprsků. Objekty, které se nacházejí za »čočkou« se proto jeví podobně zdeformované, jako obrazy lidí v pokřivených zrcadlech, která známe z »domů smíchu«.

Vesmírná laboratoř jménem Abell 1689

Takovou olbřímí gravitační čočkou je i jeden z nejhmotnějších objektů v celém vesmíru, kupa galaxií známá jako Abell 1689, kterou pozorovatel na Země vidí v souhvězdí Panny. Tento 2,3 miliardy světelných let vzdálený objekt se během posledních dvou let stal mezi astronomy jedním z jejich největších »mazlíčků«.

A jak vlastně může takováto gravitační čočka napomoci astronomům se zkoumáním temné energie a dokonce i temné hmoty? Nejprve si musíme připomenout, že temná energie se projevuje především tím, že od sebe jednotlivé vesmírné objekty jakoby »odstrkuje« a způsobuje tak, že prostor mezi »nafukuje«.

Zvláštní uspořádání obrazů vzdálených galaxií, které ze Země vidíme upravené obrovskou čočkou, však umožňuje ještě jednu věc – odhadnout, kolik a kde je v Abellu 1689 vlastně temné hmoty.

21. století doplňuje:

Největší objekty ve vesmíru

Takzvané kupy galaxií jsou největšími a nejhmotnějšími objekty ve známém vesmíru. Nejde vlastně o nic jiného, než o nahloučení desítek až tisíců galaxií, které drží pohromadě díky působení gravitační síly.

Mohou být součástí i větších celků, tzv. superkup, které však již gravitací svázány nejsou. Jejich studium napovídá astronomům mnohé o tom, jak vlastně docházelo k postupnému zrodu dnešní podoby vesmíru, v němž hrála roli jak gravitace běžné i temné hmoty a také temná energie.

Galaxie viděné vesmírnou lupou

Astronomové pod vedením Erica Julla z prestižní pasadenské Laboratoře pro proudové pohony (JPL) využili pro své analýzy data z nejvýkonnějších pozemských dalekohledů, evropského VLT (Very Large Telescope) a dvojice amerických Keckových dalekohledů.

Kvůli maximální přesnosti vybrali nakonec snímky 24 galaxií, které Abell 1689 směrem k nám promítá. Díky působení temné energie se na snímcích projevil jeden na první pohled drobný, v důsledku však obrovsky důležitý detail.

Jak temná energie tlačí na vzdálené galaxie, jejich obraz viděný čočkou se také proměňuje. A právě tento nepatrný rozdíl dobře posloužil vědcům při jejich výpočtech. „Naše metoda nevedla k revoluci, ale k výraznému zpřesnění již existujících výsledků.

Pro nás je potěšující, že se nám podařilo vyvinout matematické nástroje, které nám umožnily získat podstatné informace,“ neskrývá své nadšení další z účastníků projektu Jean-Paul Kneib.

A co temná hmota?

Zvláštní vlastnosti gravitační čočky Abel 1689 umožnily, kolegům Erica Julla z JPL Danu Coeovi a jeho spolupracovníkům, aby se zaměřili na pátrání po další »tajemné« substanci, temné hmotě. Pomocí Hubbleova teleskopu pořídili 135 různých obrázků 42 galaxií, které se »schovávají« za čočkou.

Díky přesným výpočtům jejich pozice pak vědci přišli na to, že koncentrace neviditelné, temné hmoty musí být podstatně vyšší, než předtím očekávali. A to zdaleka není vše! Podle svých kalkulací dokázali dokonce sestavit zatím nejpřesnější mapu, která zobrazuje rozmístění temné hmoty v kupě galaxií.

„Jiné metody spočívají v tom, že vznikne série odhadů, jak by taková mapa mohla vypadat. Astronomové pak vyberou tu, která nejlépe sedne na to, co vidí. S pomocí naší metody můžeme přímo z dat získat mapu, která dokonale sedne,“ libuje si nad výsledky svého týmu Dan Coe.

Zdá se tedy, že vědci mají v rukou skvělý nástroj, který bude mít na budoucím poznání úlohy temné hmoty ve vesmíru velký podíl.

Najdou obří urychlovače temnou hmotu?

Z čeho vlastně temná hmota je? Nikdo přesně neví. Vážnými kandidáty jsou například některé částice, jejichž existenci se doposud nepodařilo prokázat. Na subatomární úrovni k nim patří např. málohmotné částice axiony či slabě interagující hmotné částice (WIMPs), které předpovídá zvláštní fyzikální vlastnost vesmíru, tzv.

supersymetrie. Jejich nalezení spadá do popisu práce především těch vědců, kteří ovládají experimenty na obřích urychlovačích částic, např. ve švýcarském CERNu. Existuje však i tradiční a relativně známý kandidát, která vznikají při jaderných reakcích, např. beta rozpadu:

neutrina. Donedávna znali fyzikové 3 základní typy neutrin, které poeticky nazývají »chutí«: tzv. elektronové, mionové a tauonové neutrino. Po dlouhých měřeních jejich vzájemných přeměn, tzv. oscilací, nalezli v nedávné době fyzikové ve Fermilabu nedaleko Chicaga ještě jednu novou částici, kterou nazvali »sterilní neutrino«.

Na potvrzení domněnky o souvislosti nových neutrin a temné hmoty si však budeme muset ještě nejspíš nějaký ten rok počkat.

Kde se bere temná energie?

I když je podle pozorování astronomů temná energie ve vesmíru prakticky všudypřítomná, je přece jen velmi »řídká« a vědci si na ni proto mohou jen stěží »sáhnout« prostřednictvím experimentu.  Kde chybí možnost přímo pozorovat, tam musí nastoupit spekulace, vedená fyzikovou intuicí.

Základní kandidáti na skrytou povahu temné energie jsou dnes v podstatě dva. První z nich se odvolává na samotnou povahu prostoru. Prostor není jen pomyslná »nádoba«, v níž se pohybují hmotná tělesa, ale má svou vlastní energii, tzv.

energii vakua.  O této energii se předpokládá, že se napříč vesmírem vyskytuje rovnoměrně, tj. asi jako když rozmažete paštiku na chlebu do dokonale stejnoměrné vrstvy. Oproti tomu však existuje mezi fyziky i představa, že zdroj temné antigravitace není ve vesmíru rozložen rovnoměrně, ale tvoří skalární pole, které má na různých místech různou intenzitu (tj.

jakoby v paštice byly drobné hrudky). Tajemnou substanci za tímto polem prozatím fyzikové nazývají kvintesence.

Ia supernova – standardní svíčka i metr

Jen málokterý astronomický objekt se zasloužil o tak velkou změnu pohledu na vesmír jako supernovy typu Ia. Tyto supernovy nejsou vlastně nic jiného než hvězdy typu bílých trpaslíků v konečné fázi své existence, kdy dochází k prudkému vyzáření velkého množství energie do okolí.

Jejich obliba mezi astronomy má mnoho důvodů. V první řadě se tento typ supernov vyskytuje prakticky ve všech typech galaxií, a tudíž čas od času »rozsvěcí« prakticky všude ve vesmíru. Její jasnost je také ze všech typů supernov nejvyšší, a lze je tudíž poměrně dobře pozorovat i na obrovské vzdálenosti.

Posledním, a možná úplně nejdůležitějším důvodem jejich popularity je nakonec to, že průběh jejich proměny, včetně množství vyzářeného světla, je víceméně stejný a také dobře známý. Jelikož se rozsvěcejí se stále stejnou intenzitou, jsou vynikajícím a dnes prakticky také jediným zdrojem, který umožňuje měřit vzdálenosti ve vesmíru na intergalaktické škále.

Astronomové je proto také nazývají »standardní svíčky« či »intergalaktický metr«.