Článek
Temná hmota má pověst kosmologické záplaty. Fyzikům nevycházejí rovnice, a tak si vymyslí neviditelnou látku, která vše napraví. Kdo ji kdy viděl? Nikdo. Kdo ji kdy zachytil v detektoru? Také nikdo. Podobný argument slýchám docela často a na první pohled zní rozumně.
Jenže představa temné hmoty nestojí na jedné podivné galaxii ani na jediném chybném měření. Opírá se o několik zcela odlišných pozorování, která spolu kromě výsledku nemají nic společného. Ukážeme si tři z nich. Každé vychází z jiného koutu vesmíru, z jiných dat a z odlišných fyzikálních jevů. A všechna tři říkají totéž: ve vesmíru je mnohem více hmoty, než kolik dokážeme vidět.
NASA uvádí, že běžná hmota, ze které se skládají hvězdy, planety i my sami, tvoří jen asi 5 % vesmíru. Temná hmota zabírá zhruba 27 % a zbytek připadá na temnou energii. Odkud se tato čísla berou?
První svědek: galaxie, které se točí příliš rychle
Příběh začíná ve třicátých letech minulého století. Švýcarský astronom Fritz Zwicky si všiml, že se galaxie v kupě v souhvězdí Vlasů Bereniky pohybují rychleji, než by viditelná hmota dokázala udržet pohromadě. Pro tuto chybějící složku zavedl označení temná hmota.
Přesvědčivý důkaz přinesla až Vera Rubinová. V polovině šedesátých let začala pracovat v Carnegieho institutu ve Washingtonu s Kentem Fordem, který zkonstruoval nový spektrograf. Společně měřili, jak rychle se pohybují hvězdy v galaxii v Andromedě. Podle Společnosti Maxe Plancka nasbírali 123 spekter a zjistili, že ve vzdálenosti od 10 000 do 60 000 světelných let od středu galaxie obíhají téměř všechny objekty zhruba stejnou rychlostí.
Přesně to by se ale dít nemělo. Ve Sluneční soustavě obíhají vzdálené planety pomaleji než ty blízké, protože většina hmoty je soustředěna uprostřed – v samotném Slunci. Neptun je proto výrazně pomalejší než Merkur. Kdyby se veškerá hmota galaxie nacházela jen tam, kde svítí hvězdy, musely by ty na okraji zpomalovat. Ony však nezpomalovaly.
Rubinová se nespokojila s jedinou galaxií. V roce 1980 zmapovala 21 spirálních galaxií různých velikostí a svítivostí. Podle Americké fyzikální společnosti měly všechny ploché rotační křivky. Její závěr zněl jednoznačně: za okrajem viditelné galaxie se nevyhnutelně nachází nesvítící hmota.
Druhý svědek: srážka, která oddělila plyn od hmoty
Rotační křivky mají jednu slabinu. Teoreticky by je šlo vysvětlit i tím, že se gravitace na velkých vzdálenostech chová jinak, než předpokládal Newton. Právě proto byl tak důležitý objekt 1E0657-558, kterému astronomové přezdívají kupa Bullet Cluster.
Jde o dvě kupy galaxií, které do sebe narazily. Každá z nich obsahuje samotné galaxie a obrovské množství horkého plynu, jenž je ve skutečnosti mnohem hmotnější než hvězdy. Galaxie se při srážce vzájemně minuly, protože mezi nimi zeje obrovské prázdno. Plyn se ale srazil, zbrzdil a zůstal uprostřed, kde září v rentgenovém spektru.
Douglas Clowe se svými kolegy v roce 2006 změřil rozložení hmoty pomocí gravitační čočky. Hmotná tělesa totiž ohýbají světlo vzdálenějších galaxií ležících za nimi a z míry tohoto ohybu lze spočítat, kde se hmota soustředí. Výsledek publikovaný pod sebevědomým názvem A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter ukázal, že většina hmoty neleží v oblasti plynu, ale v místech, kde se nacházejí galaxie. Těžiště celkové hmoty je vůči běžné hmotě posunuté se statistickou významností osm sigma.
Představte si, že zvážíte dva srážející se kamiony a zjistíte, že nejtěžší část nákladu přeletěla místo nehody, zatímco pomačkané plechy zůstaly ležet na silnici. Něco neviditelného a těžkého pokračovalo v pohybu bez zastavení.
Autoři argumentují, že takový posun nelze vysvětlit pouhou úpravou gravitačního zákona. V prostoru se zkrátka musí nacházet hmota, kterou nevidíme.
Třetí svědek: nejstarší světlo vesmíru
Třetí důkaz s galaxiemi vůbec nesouvisí. Družice Planck zmapovala reliktní záření, tedy světlo z doby, kdy byl vesmír velmi mladý. Jsou v něm otištěny drobné teplotní rozdíly, které vznikly šířením zvukových vln v horkém plazmatu. Jejich velikost a rozložení závisí na tom, kolik běžné a temné hmoty vesmír obsahuje.
Výsledky družice Planck z roku 2018 určily celkovou hustotu hmoty na 31,5 % hustoty vesmíru. Běžná hmota z toho tvoří jen malou část. Zbytek musí představovat složka, která nereaguje se světlem. Jak to lze rozlišit? Běžná hmota v raném vesmíru se světlem silně interagovala. Tlak záření ji rozkmitával, takže se v plazmatu šířily vlny podobně jako zvuk ve vzduchu. Temná hmota se světlem nereaguje, a proto se jen tiše shlukovala vlastní gravitací. Obě složky zanechaly v reliktním záření odlišnou stopu a z poměru výšek jednotlivých vrcholů v jeho spektru lze vyčíst zastoupení každé z nich.
Družice Planck přitom neví nic o Andromedě ani o kupě Bullet Cluster. Jde o zcela nezávislá data a odlišnou fyziku.
Co nevíme a co by mohlo platit jinak
Tři nezávislá pozorování sice přinášejí silný argument pro existenci temné hmoty, neprozrazují však její podstatu. Žádný detektor ji zatím přímo nezachytil, přestože se o to fyzici pokoušejí už desítky let. Část vědců stále zkoumá teorie upravené gravitace, které se snaží vysvětlit rotační křivky bez neviditelné látky. Bullet Cluster je pro ně sice tvrdým oříškem, interpretace srážky však závisí na tom, jak vědci namodelují její geometrii a průběh. Skutečné vysvětlení tak může mít podobu, kterou zatím nikdo nenavrhl.
Proč nejde o pouhou záplatu
Záplata by zakryla problém jen na jednom místě. Temná hmota však funguje na třech různých úrovních najednou: v jednotlivých galaxiích, při srážkách jejich kup i v celém raném vesmíru. A ve všech třech případech vychází v podobném množství.
Přímého zachycení temné hmoty se Vera Rubinová nedočkala, zemřela v roce 2016. V Chile dnes stojí observatoř nesoucí její jméno, která v roce 2025 zveřejnila první snímky. Jedním z jejích hlavních úkolů je právě pátrání po temné hmotě.
P.S.
Věřím, že nejsilnější argument ve vědě nevzniká jedním měřením, ale tím, že se k němu nezávisle dopracuje několik různých cest. Temná hmota je toho krásným příkladem. Jestli vám podobné texty dávají smysl, budu rád za jakýkoliv příspěvek. Pomůže mi věnovat čas dalším tématům, kde je potřeba oddělit data od dojmů.
