Tmavá hmota - 75 ročné vesmírne tajomstvo (časť 1)
Tmavá hmota – 75 ročné vesmírne tajomstvo (časť 1.)
Pred trištvrte storočím skúmal v Bulharsku narodený švajčiarsky astronóm
Fritz Zwicky, z amerického Kalifornského technologického ústavu
(Caltech) v súhvezdí Vlasy Bereniky veľkú skupinu (kopu) viac ako tisíc
galaxií, vzdialenú od Zeme asi 350 miliónov svetelných rokov. Zistil, že
gravitačný účinok priamo pozorovateľnej hmoty je príliš malý na to, aby
sa podľa známych fyzikálnych zákonitostí dali vysvetliť namerané
galaktické rotačné rýchlosti. Musí sa tam teda ukrývať hmota, ktorú síce
nevidíme ani pomocou prístrojov, no ktorá prispieva svojim gravitačným
vplyvom mnohonásobne viac než hmota pozorovateľná priamo. Tak sa zrodil
provokujúci termín „tmavá hmota“, niekedy aj „skrytá hmota“, ale
používajme výraz bližší všeobecne používanému anglickému „dark matter“. V
podobe akéhosi oblaku – halo – tvorí neviditeľnú hmotnú kulisu a
gravitačné lepidlo každej galaxie a udržuje ju v stabilnej formácii. Bez
nej by sa aj naša Mliečna dráha rozletela do priestoru. Pretože
galaktické obežné rýchlosti hviezd smerom od centra k okrajom galaxií
neklesajú tak, ako by to zodpovedalo známym fyzikálnym zákonom.
Aj keď ani po 75 rokoch nevieme čo tmavá hmota je, tušíme koľko jej je a
vieme nepriamo zistiť kde asi je. Podľa najaktuálnejších údajov
(napríklad aj z analýz meraní mikrovlnného reliktového žiarenia,
získaných sondou WMAP) tmavá hmota sa asi 82 percentami podieľa na súčte
všetkej hmoty vesmíru a ak „pripočítame“ aj energiu, potom jej
percentuálne celovesmírne zastúpenie klesne na asi 23 percent.
Existenciu tejto neviditeľnej zložky, presnejšie jej gravitačné účinky,
už potvrdili nespočetné pozorovania. Súčasná úroveň observačnej a
výpočtovej techniky umožňuje stále presnejšie mapovať aj detaily jej
rozloženia v okolitom vesmíre. Začiatkom tohto mesiaca časopis Nature
uverejnil zaujímavý článok o výsledkoch počítačovej simulácie, ktorú pre
jeden z najvýkonnejších počítačov sveta (Jaguar Supercomputer)
v americkom Národnom laboratóriu v Oak Ridge naprogramoval tím vedený
Pierom Madauom, profesorom astronómie a astrofyziky na Kalifornskej
univerzite v Santa Cruz. Cieľom modelu bol vznik a časový vývoj
štruktúrnych detailov v priestorovej distribúcii tmavej hmoty v oblasti
našej Galaxie. Podľa získaných údajov by sa napríklad priamo v blízkosti
Slnečnej sústavy mali nachádzať zhluky a pásy vyššej koncentrácie.
Podľa slov profesora Madaua „...v predchádzajúcich
simuláciách sa táto oblasť javila ako rovnorodá, ale teraz poznáme
dostatok detailov, aby sme zhluky tmavej hmoty videli.“
Pre lepšie pochopenie pár slov veľmi zjednodušujúceho vysvetlenia: Podľa
dominujúcej teórie, ktorá zohľadňuje vplyv chladnej formy tmavej hmoty
na vývoj vesmíru, nepatrné počiatočné hustotné fluktuácie v takmer úplne
homogénnom rannom vesmíre viedli asi po 20 miliónov rokov od Big Bangu k
postupnému, gravitačne podmienenému vzniku prvých „tmavohmotných“
zhustení. Tie navzájom interagovali a ďalej sa zhlukovali. Práve
gravitácia väčších koncentrácií tmavej hmoty prispela k vytvoreniu
štruktúr vo vesmíre, pretože známa hmota, ktorá teraz tvorí hviezdy a
planéty, bola do nich vtiahnutá. Tým vznikli podmienky na tvorbu galaxií
uprostred rozľahlých oblakov (halo) tmavej hmoty.
Počítačová simulácia tohto procesu pre Galaxiu zahltila na celý mesiac 3
tisíc procesorov súčasne. V časovej skratke modelovala gravitačné
interakcie viac ako miliardy menších chumáčov tmavej hmoty počas celého
doterajšieho veku vesmíru – od doby krátko po Big Bangu až do
súčasnosti, čiže počas 13,7 miliardy rokov. Výsledkom sú podrobnejšie
štruktúry – hustotné anomálie tmavej hmoty v priestore Mliečnej dráhy. A
tie by mali byť oveľa komplikovanejšie, než sa doposiaľ predpokladalo.
Galaktické halo tmavej hmoty má vraj svoje subhalá a v nich sa, na
menších priestorových škálach, nachádzajú ďalšie štruktúry – chuchvalce,
zhluky, či pásy tmavej hmoty. Podľa Madauových slov má každá
subštruktúra ďalšie vlastné sub-subštruktúry a tak ďalej. Najmasívnejšie
subhalá sú pravdepodobne okolo trpasličích galaxií, ktoré obiehajú
Mliečnu dráhu.
Podľa teórie supersymetrie je hlavným WIMP (weakly interacting massive
particle) kandidátom na vysvetlenie podstaty chladnej formy tmavej hmoty
hypotetická častica nazývaná neutralino. Pri vzájomných zrážkach by
mali neutralína navzájom anihilovať, pričom by mala vzniknúť spŕška
nových častíc a uvoľniť sa energia v podobe žiarenia. Prístroje na sonde
GLAST
sú pripravené zachytiť jeho gama zložku. Najmä ak pôjde výsledok
mnohých takýchto anihilácií z hustejších subhál tmavej hmoty. Credit:
Sky & Telescope / Gregg Dinderman Štúdiom pohybu hviezd v „našich“
lokálnych trpasličích galaxiách dokážu astronómovia určiť skutočnú
hustotu tmavej hmoty v subhalách a porovnať ju s výslednými hustotami,
ktoré získali na základe simulácie. Ako tvrdí Pier Madau a postdoktorand
Juerg Diemand: “Môžeme urobiť porovnania s
trpasličími galaxiami a hviezdnymi prúdmi, ktoré s Mliečnou cestou
súvisia. Výskyt týchto hviezdnych zoskupení je úzko spätý so
subštruktúrami v halo tmavej hmoty. Významnejšie hustotné anomálie v
simulovaných subhalách sú v zhode s pozorovaniami pohybov hviezd v
trpasličích galaxiách. Zostáva však nezrovnalosť medzi počtom subhál v
simuláciách a počtom (14) známych trpasličích galaxií v okolí Mliečnej
dráhy. Ak však napríklad niektoré subhalá nie sú dostatočne masívne pre
vznik hviezdnych formácií, ich gravitačné účinky môžu ostať
nepozorovateľné.”
Aj po troch štvrtinách storočia ostáva tá najzákladnejšia otázka „Èo je
to?“ tou najzložitejšou. Tmavá hmota nevyžaruje a ani neodráža žiadne
merateľné elektromagnetické vlny a nezistila sa ani žiadna interakcia so
známou formou hmoty, pozorovateľné je len to spomínané gravitačné
pôsobenie. Zatiaľ máme len zoznam podozrivých páchateľov. Tvoria tmavú
hmotu neutrína? Èi veľmi masívne kompaktné objekty, označované akronymom
MACHOs (Massive Compact Halo Objects) – napríklad nepozorovateľné
planéty, rôzne typy nevyžarujúcich, či už vyhasnutých chladných hviezd,
menšie osamotené čierne diery, či dokonca celé galaxie ukryté za halo z
bežnej, no nevyžarujúcej chladnej hmoty? Alebo ide o neznáme, slabo
interagujúce hmotné častice, takzvané WIMPs (weakly interacting massive
particles)? Po piatich rokoch systematického pátrania po rýchlych
zákrytoch vzdialených hviezd tmavými masívnymi objektmi MACHO museli
zástancovia tejto teórie priznať, že takéto javy sú príliš zriedkavé a
MACHOs nemôžu objasniť vysokú prevahu tmavej hmoty nad hmotou priamo
pozorovateľnou. Aj to posunulo teóriu WIMPs na čelo popularity a
vedeckého záujmu. Jej kandidátom na chladnú formu tmavej hmoty je v
súčasnosti neutralino - produkt supersymetrických teórií. Neutralino je
zatiaľ len hypotetickou, elektricky neutrálnou časticou. Jeho najľahšia
forma by mala byť stabilná, s predpokladanou hmotnosťou minimálne 40
násobne prevyšujúcou hmotnosť protónu.
Vedci predpokladajú, že pri vzájomných zrážkach neutralín dochádza k ich
vzájomnej anihilácii, pričom sa časť energie vyžiari v podobe gama
zábleskov. Tieto by mal zachytiť vesmírny teleskop GLAST (Gamma-ray
Large Area Space Telescope, vypustený na obežnú dráhu 11. 6. 2008),
ktorý je schopný zaregistrovať aj slabé gama zdroje. S napätím očakáva
výsledky meraní aj Madauov tím. Podľa ich predpokladov sú niektoré
zhluky tmavej hmoty natoľko husté, že vďaka vzájomným zrážkam a
anihilácii neutralín emitujú dostatok gama žiarenia, ktoré by mali
prístroje sondy GLAST zaznamenať. Po 2 rokoch meraní by vraj malo
existovať množstvo dôkazov potvrdzujúcich existenciu neutralín. K tejto
nádejnej predpovedi prirátajme napäté očakávanie experimentálnych
výsledkov z urýchľovača LHC, ktoré by tiež mali overiť existenciu celého
radu hypotetických častíc na čele s Higgsovym bozónom. Výsledkom je
prísľub zábleskov nového a vzrušujúceho poznania v temnotách tajomnej
hmotnej podstaty vesmíru.
Pokračovanie nabudúce...
zdroj:www.osel.cz