Co když je temná hmota jen vzájemná gravitační přitažlivost celého vesmíru?
Podrobný průzkum zajímavé myšlenky
Temná hmota je jednou z největších záhad moderní kosmologie a astrofyziky. Pozorování zahrnující rotační křivky galaxií, gravitační čočkování a formování velkorozměrové struktury ukazují, že ve vesmíru existuje forma hmoty, která neinteraguje se světlem – proto je nazvána "temnou". Na základě Newtonova a Einsteinova pojetí gravitace tvoří viditelná, "běžná" hmota (protony, neutrony, elektrony) pouze asi 5 % celkové energie a hmoty vesmíru, zatímco temná hmota asi 27 % (zbytek tvoří temná energie).
Ale co když tato chybějící hmota vůbec neexistuje? Možná je to jen efekt vzájemné gravitace celého vesmíru: malé příspěvky gravitace všech hvězd, planet a částic plynů, které dohromady vytvářejí jevy, které vysvětlujeme jako "temnou hmotu". Je to zajímavá myšlenka: mohli bychom se vzdát pojmu temné hmoty jako samostatné složky a vše vysvětlit pouze společným gravitačním působením viditelné hmoty na obrovských škálách?
V tomto článku podrobně prozkoumáme tuto myšlenku – přehledně představíme důkazy existence temné hmoty, vědecké pokusy vysvětlit tento jev a proč je myšlenka "že je to jen gravitace všeho, co existuje" zároveň přitažlivá, ale bohužel nedostatečná při pohledu na podrobné pozorovací údaje.
1. Důkazy existence temné hmoty
1.1 Rotační křivky galaxií
Jedním z prvních výrazných důkazů existence temné hmoty jsou měření rychlosti oběžných drah hvězd na okrajích galaxií. Podle Newtonovy mechaniky by rychlost oběžných drah hvězd na okraji galaxie měla klesat se vzdáleností od středu – podobně jako rychlost planet v naší Sluneční soustavě klesá s rostoucí vzdáleností od Slunce.
Astronomové si však všimli, že hvězdy v nejvzdálenějších oblastech spirálních galaxií se pohybují mnohem rychleji, než by předpovídaly běžné výpočty. Tento jev, nazývaný "ploché rotační křivky", naznačuje, že existuje mnohem více hmoty, než můžeme určit z elektromagnetického záření (světla v různých vlnových délkách). Kdyby v galaxii existovala pouze viditelná hmota (hvězdy, plyny, prach), oběžné dráhy vzdálených hvězd by měly být pomalejší. Nejjednodušší vysvětlení je tedy, že existuje dodatečná, neviditelná vrstva hmoty, tj. temná hmota.
1.2 Gravitační čočkování
Gravitační čočkování je schopnost masivních objektů ohýbat světlo, jak popisuje Einsteinova obecná teorie relativity. Při pozorování kup galaxií je vidět, že jejich vliv na obraz vzdálenějších galaxií (čočení) je mnohem silnější, než lze vysvětlit pouze viditelnou hmotou. K vysvětlení tohoto efektu je potřeba dodatečná hmota – opět se ukazuje na temnou hmotu.
Známým příkladem je tzv. srážka Bullet Cluster, kde dvě kupy galaxií proletěly jedna skrz druhou. Horký plyn (viditelný v rentgenovém spektru) byl zpomalen interakcemi, zatímco nejsilnější gravitační vliv se posunul dál. To naznačuje, že část hmoty téměř neinteraguje elektromagneticky (tj. nebrzdí se navzájem jako běžný plyn), ale má významný gravitační vliv.
1.3 Kosmologická pozorování a formování struktur
Při pohledu na kosmické mikrovlnné pozadí (angl. Cosmic Microwave Background, CMB) – „odraz“ Velkého třesku – vědci pozorují nerovnoměrnosti v hustotě. Právě tyto nerovnoměrnosti se postupně vyvinuly v galaxie a kupy, které dnes vidíme. Simulace formování struktur ve vesmíru ukazují, že bez temné hmoty by vývoj těchto hustotních „semínek“ do současných rozměrů byl nesmírně obtížně vysvětlitelný nebo dokonce nemožný. Bez temné hmoty by z téměř homogenní rané vesmíru vznikla velmi nerovnoměrná struktura hmoty (galaxie, kupy galaxií) příliš pomalu.
2. Navrhovaná myšlenka: společná přitažlivost veškeré hmoty
Myšlenka „co když je temná hmota jen vzájemná gravitační přitažlivost všeho, co existuje“ se na první pohled zdá přitažlivá. Gravitace totiž působí na neomezené vzdálenosti; ať jsou dva objekty ve vesmíru jakkoli vzdálené, stále se navzájem přitahují. Kdybychom si představili nespočet hvězd a galaxií, možná by jejich celkový gravitační vliv mohl vysvětlit tu dodatečnou hmotu.
2.1 Intuitivní přitažlivost
1. Jednotné vysvětlení gravitace: Částečně to vypadá jako sjednocující myšlenka. Místo zavedení nového typu hmoty bychom mohli tvrdit, že pozorujeme pouze kolektivní účinek hmoty, kterou známe.
2. Jednoduchost: Mnoho lidí považuje za přitažlivé myslet si, že existuje pouze barionická (běžná) hmota a nic víc. Možná jsme dosud jednoduše nepřecenili celkovou gravitaci této hmoty, zejména v rozsáhlých měřítcích.
Tato hypotéza však čelí vážným výzvám, když je aplikována na přesná pozorovací data a dobře ověřené fyzikální teorie. Podívejme se, kde se objevují problémy.
3. Proč samotná gravitace známé hmoty nestačí
3.1 Běžná versus modifikovaná gravitace
Pokusy vysvětlit kosmické jevy bez temné hmoty často spadají do oblasti „modifikovaných teorií gravitace“. Místo zavedení nové formy hmoty se navrhuje upravit zákony gravitace na vesmírné škále. Jedním z nejznámějších příkladů je MOND (anglicky Modified Newtonian Dynamics). MOND tvrdí, že v oblastech s velmi malým zrychlením (například na okrajích galaxií) gravitace působí jinak, než předpovídají Newton nebo Einstein.
Pokud by celková gravitace ve vesmíru byla tou silou, kterou mylně nazýváme temnou hmotou, musela by v podstatě fungovat jako určitá modifikovaná verze gravitace. Zastánci MOND a podobných teorií se snaží vysvětlit rotační křivky galaxií a další jevy. Přestože MOND může vyhovovat některým pozorováním (například rotačním křivkám galaxií), těžko se slučuje s jinými fakty (například daty gravitačního čočkování Bullet Clusteru).
Proto by jakákoli teorie tvrdící, že „temnou hmotu“ způsobuje pouze běžná hmota a její gravitační působení, musela úspěšně vysvětlit nejen rotační křivky galaxií, ale i čočkování, srážky kup a formování velkorozměrné struktury. Dosud žádná alternativní teorie plně nenahradila hypotézu temné hmoty tak, aby odpovídala všem pozorováním.
3.2 Zákon inverzního čtverce a kosmické škály
Gravitační síla slábne se čtvercem vzdálenosti (podle Newtonova zákona univerzální gravitace). Na kosmických škálách existuje skutečná, i když slabá, přitažlivost vzdálených galaxií, kup a filamentů, ale tato síla rychle klesá s rostoucí vzdáleností. Pozorovací data ukazují, že samotná viditelná (barionická) hmota nestačí a není rozmístěna tak, aby vytvořila gravitační efekty připisované temné hmotě.
Pokud bychom se pokusili sečíst veškerou viditelnou hmotu ve vesmíru a vypočítat její gravitační vliv na různých kosmických škálách, zjistili bychom, že stále nemůžeme reprodukovat skutečné rotační křivky galaxií, čočkovací efekty ani rychlost formování struktur. Jednoduše řečeno, ve vesmíru složeném pouze z barionické hmoty by gravitační síla byla příliš slabá na vysvětlení pozorovaných efektů.
3.3 Bullet Cluster a rozložení „chybějící“ hmoty
Bullet Cluster je zvlášť výrazným příkladem. Při srážce dvou galaktických kup byla běžná hmota (převážně horký plyn) zpomalena interakcí, zatímco druhá – téměř neinteragující – část hmoty (předpokládá se, že jde o temnou hmotu) úspěšně pronikla srážkou bez zpomalení. Data gravitačního čočkování ukazují, že většina hmoty "ustoupila" dále, za zářící plyn.
Pokud bychom chybějící hmotu vysvětlovali jednoduše veškerou hmotou ve vesmíru, očekávali bychom, že rozložení hmoty bude více odpovídat viditelné hmotě (zpomalené plyny). Avšak pozorovaný rozdíl mezi viditelným plynem a gravitačně aktivní hmotou ukazuje, že existuje další, neelektromagneticky interagující hmota – temná hmota.
4. „Gravitace veškeré hmoty“ a kosmologie
4.1 Omezení nukleosyntézy Velkého třesku
V raném vesmíru vznikly nejlehčí chemické prvky – vodík, helium a trochu lithia. Tento proces se nazývá nukleosyntéza Velkého třesku (anglicky Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Množství lehkých prvků citlivě závisí na hustotě veškeré barionické (běžné) hmoty. Pozorováním kosmického mikrovlnného pozadí a studiem poměrů těchto prvků je zřejmé, že ve vesmíru nemůže být příliš mnoho barionické hmoty – jinak by to odporovalo pozorovaným množstvím helia nebo deuteria. Stručně řečeno, BBN ukazuje, že běžná hmota tvoří asi 5 % energetické a hmotnostní bilance vesmíru.
4.2 Měření kosmického mikrovlnného pozadí
Vysoce kvalitní data získaná z družic, jako jsou COBE, WMAP a Planck, umožnila kosmologům extrémně přesně určit fluktuace teploty CMB. Povaha těchto fluktuací, zejména jejich úhlový výkonový spektrum, umožňuje odhadnout hustotu různých složek (temné hmoty, temné energie a barionické hmoty). Tato měření velmi dobře souhlasí s kosmologickým modelem, kde je temná hmota samostatnou, nebarionickou složkou. Pokud by gravitační efekt, který nyní připisujeme temné hmotě, byl pouze celkovým působením viditelné hmoty, spektrum výkonu CMB by vypadalo zcela jinak.
5. Existuje jiný způsob, jak říci, že temná hmota je jen „gravitace“?
Myšlenka „co když je temná hmota ve skutečnosti jen nedokonalost zákonů gravitace?“ vedla k různým modifikovaným teoriím gravitace. Ty navrhují upravit Einsteinovu obecnou teorii relativity nebo Newtonovu dynamiku na galaktické a větší škále, někdy nabízejí poměrně složitý matematický základ. Takové teorie se snaží bez dalších, neviditelných částic vysvětlit křivky rotace galaxií a čočkování kup galaxií.
Hlavní výzvy modifikovaných teorií gravitace:
- Ladění: Je třeba upravit gravitaci na galaktické úrovni, ale zároveň zůstat v souladu s pozorováními sluneční soustavy a obecnou teorií relativity, kterou mnoho experimentů již velmi přesně potvrdilo.
- Formování struktur: Teorie musí vysvětlit nejen křivky rotace galaxií, ale také formování struktur vesmíru od raných dob až do současnosti, v souladu s pozorováními v různých obdobích.
- Relativistické efekty: Při změně zákona gravitace je nutné neodporovat jevům, jako je gravitační čočkování nebo data Bullet Clusteru.
Ačkoliv „Lambda studená temná hmota“ (angl. ΛCDM) – současný standardní kosmologický model, který zahrnuje temnou hmotu i temnou energii (Λ) – má určité nedostatky, zatím žádná teorie modifikované gravitace nedokázala tak úspěšně vysvětlit všechna pozorování jako ΛCDM.
6. Závěr
Myšlenka, že temná hmota by mohla být jednoduše vzájemná gravitační přitažlivost veškeré hmoty ve vesmíru – je zajímavá. Souzní s hledáním jednoduššího vysvětlení, které nevyžaduje novou, neviditelnou hmotu. V podstatě to rezonuje se starým vědeckým a filozofickým principem, že Occamovou břitvou bychom měli odstranit zbytečné hypotézy.
Desítky let astronomických a kosmologických pozorování však ukazují, že samotné množství známé hmoty nevysvětluje problém „chybějící hmoty“. Rotační křivky galaxií, data gravitačního čočkování, rychlosti formování velkých struktur, měření kosmického mikrovlnného pozadí a omezení z nukleosyntézy Velkého třesku – to vše naznačuje existenci druhu hmoty, která je mimo a navíc k běžné hmotě, kterou známe. Navíc pozorování Bullet Clusteru a podobných ukazují, že neviditelná hmota se chová jinak než běžná hmota (například se málo účastní jiných než gravitačních interakcí).
Kosmologie je však neustále se vyvíjející vědecká oblast. Nová pozorování – od gravitačních vln po přesnější mapy rozložení galaxií a lepší analýzy CMB – neustále zlepšují naše porozumění. Zatím většina pozorovacích dat ukazuje, že temná hmota skutečně existuje jako samostatný, nebariontový druh hmoty. Otevřená mysl a pozornost vůči neočekávaným datům však zůstávají velmi důležité – věda postupuje vpřed, když jsou hypotézy testovány a měněny, pokud neodpovídají novým faktům.
Současná pozorování nejvíce podporují myšlenku, že temná hmota je skutečná, fyzická složka. Přesto klást otázku „existuje snad nějaká alternativa?“ znamená udržovat ducha vědecké zvědavosti, který je zvláště důležitý pro pochopení tajemství vesmíru.
Další čtení
- Temná hmota ve vesmíru – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bullet Cluster jako důkaz proti modifikované gravitaci – publikace pozorování od mnoha autorů, např. Clowe a kol.
- Testování předpovědí MOND – různé studie rotačních křivek galaxií (například práce Stacy McGaugh a spoluautorů).
- Pozorování kosmologických parametrů – data misí Planck, WMAP, COBE.