Tmavá hmota a energia vo vesmíre

Zloženie vesmíru a tmavá hmota

Všetko, čo vidíte, všetko, čo ste kedy milovali, každý objekt, na ktorý sa pozeráte na nočnej oblohe – vrátane komét, mesiacov, planét a hviezd – je vytvorené z obyčajnej hmoty, ktorá tvorí len približne päť percent vesmíru. To je časť vesmíru, ktorej rozumieme. Zvyšných 95 percent však vôbec nechápeme, ale dali sme tejto záhade meno: tmavá hmota a tmavá energia.

Tmavá hmota je koncept hmoty, ktorá existuje vo vesmíre. K tomuto záveru dochádzame preto, lebo keď berieme do úvahy gravitáciu, ktorú môže vyvíjať hmota, ktorá nie je tmavá – teda hmota, ktorú vidíme, ktorá vyžaruje alebo odráža svetlo – množstvo gravitácie, ktorú táto hmota dokáže vyvinúť, jednoducho nestačí na vysvetlenie pohybov pozorovaných astronomickými meraniami.

Dobrú analógiu predstavuje mokré koleso bicykla. Keď sa točí, kvapky vody odletujú von. Podobne v galaxiách, ktoré sa točia dostatočne rýchlo, by mali byť hviezdy vymrštené smerom von. Vidíme galaxie, z ktorých by hviezdy mali byť vymrštené, ale nie sú. To musí znamenať, že existuje niečo iné, co drží tieto hviezdy vnútri galaxií.

Veríme, že existuje dodatočná hmota nad rámec hmoty viditeľnej teleskopmi, a táto tmavá hmota je zodpovedná za gravitačné pôsobenie, ktoré udržuje hviezdy od odletu von ako kvapky vody. Pri výpočtoch zisťujeme, že tmavej hmoty je štyri až päťkrát viac ako obyčajnej hmoty, zo ktorej sme vytvorení.

Tmavé hviezdy z raného vesmíru

Je mimoriadne neintuítívne, že väčšina energetického rozloženia vo vesmíre je pre nás neviditeľná, najmä keď pozorujeme nočnú oblohu a vidíme bilióny hviezd. Mohli by však existovať aj hviezdy čiastočne zložené z tmavej hmoty.

Raný vesmír mohol obsahovať takzvané tmavé hviezdy. Tieto kozmické objekty by boli zložené prevažne z normálnej hmoty ako bežné hviezdy, ale vysoká koncentrácia neutrálnej tmavej hmoty v nich by generovala teplo prostredníctvom anihilačných reakcií medzi časticami tmavej hmoty.

Toto teplo by zabránilo takýmto hviezdam kolabovať do relatívne kompaktných a hustých veľkostí moderných hviezd a tým by zabránilo jadrovej fúzii medzi atómami normálnej hmoty. Podľa tohto modelu by tmavá hviezda bola obrovský mrak molekulárneho vodíka a hélia s priemerom medzi 4 a 2000 astronomickými jednotkami a s povrchovými teplotami a jasnosťou dostatočne nízkou na to, aby vyžarované žiarenie bolo neviditeľné voľným okom.

V nepravdepodobnom prípade, že by tmavé hviezdy pretrvali do modernej éry, boli by detekovateľné prostredníctvom emisií gama lúčov, neutrín a antihmoty a boli by spojené s mrakmi studeného molekulárneho vodíkového plynu, ktorý by za normálnych okolností nehostil takéto energetické, extrémne a vzácne častice.

Tmavá energia a rozpínanie vesmíru

Ďalšou neviditeľnou tmavou substanciou, ktorá tvorí väčšinu energetického rozloženia vo vesmíre, je tmavá energia. Táto neznáma forma energie ovplyvňuje vesmír v najväčších mierkach. Jej existencia bola pozorovaná z meraní supernov, ktoré ukázali, že vesmír sa nerozpína konštantnou rýchlosťou, ale jeho rozpínanie sa zrýchľuje.

Pochopenie evolúcie vesmíru vyžaduje znalosti jeho počiatočných podmienok a zloženia. Pred týmito pozorovaniami vedci mysleli, že všetky formy hmoty a energie vo vesmíre by spôsobili len spomalenie rozpínania v čase. Zďaleka nie – tmavá energia zrýchľuje rozpínanie.

Tmavá energia tvorí približne 70 percent hmotno-energetického rozpočtu vesmíru. Najpresviedčavejším dôkazom jej existencie są pozorovania zrýchleného rozpínania priestoru. Priestor sa nielen zväčšuje v čase – čo bol šok prvotne potvrdený pozorovaniami Edwina Hubbla – ale vesmír sa zväčšuje zrýchleným tempom.

Gravitácia a odpudivá sila

Ako sa môže rozpínanie zrýchľovať? Galaxie sa navzájom pritahujú gravitačnou silou, ktorú zvyčajne vnímame ako silu, čo ťahá veci dovnútra. Napriek tomu niečo tlačí smerom von. Pozoruhodné je, že v Einsteinovej všeobecnej teórii relativity môže byť gravitácia skutočne odpudivá – môže tlačiť smerom von.

To sa nestane, ak je zdrojom gravitácie zhluková formácia ako hviezda, galaxia alebo planéta. Ak sa však nachádzada difúzna energia rozložená rovnomerne v oblasti priestoru, potom za miernych predpokladov dá vzniku odpudivému tlaku smerujúce von, ktorý môže urýchliť rozpínanie priestoru. Pretože táto energia sama nevyžaruje svetlo, nazývame ju tmavou energiou.

Dôkazy o tmavej energii

Dôkazy o tmavej energii sú nepriame, ale pochádzajú z troch nezávislých zdrojov:

• Merania vzdialenosti a ich vzťah k červenému posunu, ktoré naznačujú, že vesmír sa rozšíril viac v druhej polovici svojho života
• Teoretická potreba dodatočného typu energie, ktorá nie je hmota ani tmavá hmota, na vytvorenie pozorovane plochého vesmíru
• Merania veľkomierkových vlnových vzorov hustoty hmoty vo vesmíre

Merania kozmického mikrovlnného pozadia a astrofyzikálnych údajov naznačujú, že vesmír je blízko plochého tvaru. Aby mal vesmír plochý tvar, musí sa hmotno-energetická hustota vesmíru rovnať kritickej hustote. Celkové množstvo hmoty vo vesmíre vrátane baryónov a tmavej hmoty merané zo spektra kozmického mikrovlnného pozadia tvorí len asi 30 percent kritickej hustoty.

To znamená existenciu dodatočnej formy energie, ktorá by vysvetlila zvyšných 70 percent. Práca z pozorovania kozmického mikrovlnného pozadia pomocou sondy Planck odhaduje vesmír zložený z 68,3 percent tmavej energie, 26,8 percent tmavej hmoty a 4,9 percent obyčajnej hmoty.

Kvantová gravitácia a gravitóny

Výzkumníci navrhli rôzne hypotézy na vysvetlenie tejto záhadnej sily s neznámymi vlastnosťami. Medzi populárne patrí modifikácia prevládajúcej teórie gravitácie – všeobecnej relativity – a oblasť kvantovej gravitácie.

Kvantová gravitácia je oblasť teoretickej fyziky, ktorá sa snaží opísať gravitáciu podľa princípov kvantovej mechaniky, kde kvantové efekty nemožno ignorovať, napríklad v blízkosti čiernych dier alebo neutrónových hviezd.

V teóriách kvantovej gravitácie je gravitón hypotetické kvantum gravitácie – elementárna častica, ktorá sprostredkováva silu gravitačnej interakcie. V kvantovo-mechanickom rámci sú sily ovplyvňujúce pohyb – elektromagnetická sila a jadrové sily – súčasťou štandardného modelu fyziky častíc, ktorý predstavuje, že tieto sily sú skutočne komunikované časticami: elektromagnetická sila fotónmi, jadrové sily W a Z bozónmi.

Gravitácia je tiež prírodnou silou. Einstein nám hovorí, že gravitácia je spojená s priestoročasom – geometrická štruktúra priestoročasu určuje gravitačný vplyv, ktorý bude telo pohybujúce sa touto oblasťou priestoročasu zažívať. Ak veríme, ako väčšina z nás, že kvantová mechanika a všeobecná relativita sa musia spojiť, potom sa paradigma sily komunikovanej časticou rozšíri aj na gravitačný vplyv, čo dáva vzniknúť konceptu gravitónov.

Nikto nikdy nevidel gravitón, čo nie je prekvapujúce – je to najmenší balíček najslabšej zo všetkých prírodných síl. Ak je táto myšlienka správna, môžeme si predstaviť štruktúru priestoru, ktorá je médiom gravitácie, jako obrovskú zbierku gravitónov usporiadanycg v koherentnom vzore, ktorý sa prejavuje vo veľkých mierkach ako geometria priestoročasu, ale v malých mierkach by mal tento charakteristický časticový kvantovo-mechanický opis.

Neexistuje úplná kvantová teória poľa gravitónov kvôli nevyriešenému matematickému problému s renormalizáciou vo všeobecnej relativite. Ak gravitóny existujú, očakává sa, že budú bezhmotné, pretože gravitačná sila má veľmi dlhý dosah a zdá sa, že sa šíri rýchlosťou svetla. V teórii strún, ktorá sa považuje za konzistentnú teóriu kvantovej gravitácie, je gravitón bezhmotným stavom fundamentálnej struny.

Obrázky: AI, Zdroj: ScienceTime24