Temná hmota nebo modifikace gravitačních zákonů? Rozhodne hmotnost neutrina.

Proč temná hmota?

Hlavní indicie pro existenci temné hmoty plyne z pozorování pohybu hvězd v galaxiích a galaxií v galaktických kupách. Pokud by se měl pohyb těchto objektů vysvětlit pomocí temné hmoty, muselo by být v galaxii více než 70% její hmotnosti tvořeno hmotou úplně neznámé povahy (množství se liší podle typu galaxie) a v kupách galaxií by její podíl byl dokonce více než 85%. Temná hmota by měla být z částic, na které působí ze čtyř známých sil pouze gravitační a možná i slabá síla. Nepůsobí na ně silná a elektromagnetická síla. Proto je také ovlivňována pouze gravitačně a stejně ovlivňuje i náš vesmír. Případný vliv slabé interakce je totiž jen zanedbatelný.

Existují i další náznaky existence temné hmoty. V galaxiích se vyskytuje i velmi horký plyn pozorovatelný pomocí jím vyzařovaného rentgenového záření. Čím je teplota plynu vyšší, tím větší je rychlost chaotického pohybu atomů (iontů), které plyn tvoří. Pokud je tato rychlost větší než úniková rychlost potřebná k opuštění gravitačního vlivu galaxie, pak se za relativně krátkou dobu takový horký plyn rozptýlí z galaxie pryč. V galaxiích pozorujeme plyn, jehož teplota potvrzuje existenci mnohem intenzivnějšího gravitačního pole než odpovídá jejich klasické hmotě (atomy, ionty, nukleony, elektrony, které tvoří naše těla, planety, hvězdy...).

Určovat hmotnosti galaxií i kup galaxií lze i s využitím Einsteinovy obecné teorie relativity. Ta předpovídá, že světlo je ovlivněno gravitačním polem, kterým prolétá. Gravitační pole na ně působí jako čočka. Z toho, jak gravitační pole galaxie nebo kupy galaxií ovlivňuje dráhu světla galaxií ležících za ní, lze určit hmotnost této galaxie nebo galaktické kupy. I takto určené hmotnosti jsou mnohem větší než hmotnosti klasické hmoty těchto objektů.

Všechny zatím zmíněné důkazy jsou založeny pouze na použití teorie gravitace. Pozorované skutečnosti je tak možné vysvětlit i jiným způsobem, než existencí nám neznámého druhu hmoty. Stejné efekty bychom pozorovali, jestliže by se gravitační síla chovala na velkých vzdálenostech jinak než předpovídá současná teorie gravitace. Lze navrhnout takový popis, který by vedl k tomu, že na velmi velkých vzdálenostech, srovnatelných s galaktickými rozměry, by intenzita gravitační přitažlivosti klesala pomaleji, než to předpokládají současné teorie, a předchozí pozorování by tak byla vysvětlena bez existence temné hmoty. Několik takových modifikací gravitačních teorií už bylo navrženo.

Teď se dostáváme k pozorováním, která se už modifikovanými gravitačními teoriemi vysvětlují hůře nebo vůbec ne. V těchto jevech se totiž uplatňují i jiné typy interakce než je gravitační. Ovšem interpretace těchto jevů je složitější a většinou silně závislá na některých modelových předpokladech. Bez uvážení existence temné hmoty je velmi obtížné vysvětlit pozorovaný vývoj galaxií a také jejich chování při srážkách. Další oblastí, při jejímž vysvětlování se bez temné hmoty pravděpodobně také neobejdeme, je velmi ranný vývoj vesmíru. O něm nám v poslední době přináší nejvíce informací reliktní záření. Toto záření je jedním z hlavních důkazů, že vesmír byl na počátku ve velmi horkém a hustém stavu a od té doby se rozpíná a chladne. V té době byla teplota tohoto záření velmi vysoká ale s rozpínáním vesmíru se snižuje a dnes je jen pár stupňů nad absolutní nulou. Záření tak lze v současnosti pozorovat v  mikrovlnné oblasti radiových vln. Teplotu záření můžeme určit z jeho spektra. Tato teplota je téměř stejná v libovolných směrech, avšak jen téměř stejná. Intenzivní zkoumání nepatrných fluktuací v teplotě tohoto záření umožňuje získat velké množství informací o počátcích vesmíru - fluktuacích hustoty, jeho složení, minulém i budoucím jeho vývoji. A právě z rozboru těchto dat dostáváme, že nám dobře známá klasická hmota tvoří pouze okolo 4%, temná hmota pak okolo 22% a okolo 74% hmoty ve vesmíru tvoří ještě záhadnější forma hmoty - temná energie.

Jak probíhá srážka kup galaxií?

Je vidět, že nepřímých důkazů o existenci temné hmoty je poměrně dost, a to jsme se nezmínili o všech. Velká část je však vysvětlitelná i pomocí modifikace současných teorií gravitace. Interpretace dalších je pak založena na poměrně složitých modelových představách. A teď k tomu novému objevu, který by mohl být dalším důkazem toho, že za naše problémy může opravdu temná hmota, nikoliv modifikace gravitační teorie. Výhodné je, že jeho interpretace je velmi jednoduchá. Jak už bylo zmíněno, jde o pozorování dvou kup galaxií, které se srazily. Víme již, že nejvíce hmoty je v kupě galaxií soustředěno v temné hmotě (pokud existuje). Většina klasické hmoty je ve formě plynu rozprostřeného v prostoru mezi galaxiemi a jen malá část přímo v galaxiích V případě srážky dvou kup galaxií interaguje plyn nejen gravitačně, ale i silou, která je podobná odporu vzduchu proti pohybující se hmotě a je elektromagnetického původu. Ta tento plyn silně zbrzdí a tím i ohřeje. Můžeme si položit otázku jak může brzdit plyn s hustotou v řádu jednotlivých atomů (iontů) na metr krychlový, ale musíme si uvědomit, o jak obrovské rozměry a tedy i celkové hmotnosti jde. Galaxie jsou velmi kompaktní, mají tak "ideálně aerodynamický tvar" a tato síla je zbrzdí pouze minimálně. Temnou hmotu ovlivňuje pouze gravitace. V našem případě srážky kup galaxií tak dostaneme situaci, kdy hmota ovlivňovaná pouze nebo dominantně gravitační silou ( temná hmota a galaxie) bude v jiném místě než hmota, na kterou srovnatelně silně působí i elektromagnetická síla mezi částicemi plynu srážejících se kup.

Popsaná situace byla nedávno pozorována u kupy galaxií 1E0657-558. Tato kupa je dvojitá a vznikla jako následek srážky dvou nestejně velkých kup. Při srážce došlo k oddělení částí složených z mezigalaktického plynu a z jednotlivých galaxií. Galaxie doletěly do daleko větší vzdálenosti od místa srážky než části složené z plazmy a plynu. Jak už jsme výše uvedli, větší část (jedná se o několikanásobek) hmotnosti viditelné hmoty je obsažená v horkém plynu než v samotných galaxiích. Takže, pokud temná hmota neexistuje, budou centra gravitace v místech těchto oblaků. Pokud však temná hmota existuje, bude vzhledem k tomu, že interaguje pouze gravitační silou, v místech, kde jsou galaxie. A v tomto případě budou centra gravitace v těchto místech, protože hmotnost temné hmoty by pak měla tvořit největší část hmotnosti původních kup galaxií. D. Clowe s kolegy provedli analýzu měření průběhu gravitačního pole pomocí pozorování galaxií, které jsou ve větší vzdálenosti než srážející se kupy a na jejichž světlo působí kupa jako gravitační čočka. Ukázalo se, že gravitační centra jsou v místech zvýšené koncentrace galaxií. Současné teorie a i každá modifikace popisu gravitační síly pokládají centra gravitace do míst s maximem hmotnosti, takže nám pozorovanou situaci nelze bez temné hmoty vysvětlit. Zdá se tedy, že pozorování srážky kup galaxií potvrzuje existenci temné hmoty a nepotřebnost modifikace našeho popisu gravitace.

Co temnou hmotu tvoří?

Teď se ještě podívejme na to, co by mohlo tuto temnou hmotu tvořit. Částice, které jsou v současné době nejžhavějšími kandidáty na vysvětlení podstaty temné hmoty, jsou spojeny s teoriemi, které by nám měly umožnit jednotný popis zmíněných čtyř druhů výše uvedených sil. Tyto teorie předpokládají existenci nových, zatím pouze hypotetických částic. Některé z nich jsou velmi nadějnými kandidáty na vysvětlení temné hmoty.

Existuje řada dalších více či méně exotických kandidátů na temnou hmotu. Z nich zmíníme pouze jednoho. Pokud by tvořil temnou hmotu, nepovede právě popsané pozorování srážky kup galaxií k vyloučení nutnosti úprav našich gravitačních teorií. Na rozdíl od nových neznámých částic s poměrně velkou hmotností by se jednalo o dobře známá neutrina. Neutrina jsou částice s velice malou hmotností (více jak dvě stě tisíckrát menší než je hmotnost elektronu), díky čemuž se ve většině situací pohybují téměř rychlostí světla.

Jsou to částice, jejichž existenci předpověděl W. Pauli v roce 1931, aby vysvětlil průběh radioaktivního rozpadu a velikost energii elektronů, které při něm vznikají. Předpověděl existenci neutrální částice, která interaguje s ostatními částicemi jen velice slabě. Trvalo pak čtvrt století, než byla tato částice zachycena a její existence prokázána. Původně se předpokládalo, že její klidová hmotnost je nulová. Dnes se ví, že nulová není, ale je velmi malá. Zatím však známe pouze horní hranici pro tuto hmotnost. S jinou látkou interagují neutrina pouze slabě (tedy i s velice malou pravděpodobností) a gravitačně. Vesmír by měl být vyplněn velkým množstvím tzv. reliktních neutrin. Ta pocházejí z doby těsně po začátku velkého třesku (od hmoty se oddělila už jednu sekundu po počátku rozpínání, zatímco reliktní elektromagnetické záření až téměř po čtyři sta tisíci letech). Nyní mají tato reliktní neutrina velice malou energii a jejich detekce je natolik obtížná, že se zatím nezdařila a na potvrzení jejich existence se stále čeká.

A právě o reliktních neutrinech, jako složce této temné hmoty, se uvažuje již dlouho. Jak velká část to bude, závisí na hmotnosti této částice. Ta doposud není známa, jen je prokázáno, že je menší než 2 eV/c² (hmotnost se v jaderné fyzice často vyjadřuje pomocí energetických jednotek a Einsteinova vztahu mezi hmotností a energií E = mc²: 1 eV/c² = 1,78·10^-36 kg).

A co když jsou temnou hmotou reliktní neutrina?

A teď, jak to souvisí s možností existence modifikované gravitační teorie. Jaký je rozdíl mezi vysvětlením podstaty temné hmoty pomocí částic s větší hmotností a pomocí neutrin?

V prvním případě, pokud by temnou hmotou byly částice s velkou hmotnosti, tak se budou pohybovat malými rychlostmi a udrží je gravitační pole v galaxiích. Pak bude jejich hustota v galaxiích mnohem větší než jinde, stejně jako v případě klasické hmoty. Tím se vysvětlí pohyb hvězd v galaxii a další pozorování, o nichž jsme se zmínili před chvílí. Všechny efekty, které jsme uváděly jako důkazy existence temné hmoty, tak můžeme kompletně vysvětlit a úplně se obejdeme bez jakékoliv potřeby modifikace gravitačních teorii.

Pokud jsou však temnou hmotou v případě srážky kup galaxií neutrina, je situace trochu jiná. V tomto případě by se jednalo o reliktní neutrina. V době vzniku byla neutrina velmi horká, ale s rozpínáním vesmíru jejich teplota klesala a nyní je jen 1,95 stupně nad absolutní nulou ( -271,20 °C). Již dříve jsme si řekli, že rychlost chaotického pohybu částic plynu je tím vyšší, čím je vyšší jeho teplota. I když mají neutrina díky své velmi malé hmotnosti za normálních podmínek rychlost blízkou rychlosti světla, tak reliktní neutrina mohou mít díky své velmi nízké teplotě rychlost i dost nižší. Takže je gravitační pole kupy galaxií udrží. Přesto jsou však tyto rychlosti stále větší než únikové rychlosti z jednotlivých galaxií a ty je neudrží. Hustota neutrin v galaxiích tedy nebude odlišná od hustoty neutrin v mezigalaktickém prostoru. Temná hmota ve formě neutrin tak nemůže vysvětlit pohyb hvězd v galaxii, existenci horkého plynu v galaxii a další jevy spojené s předpokládaným větším gravitačním polem galaxie. K vysvětlení těchto jevů tak zůstává prostor pro modifikace zákonitostí popisujících gravitaci.

Není to však tak, že buď platí jedno nebo druhé, tedy temná hmota nebo modifikace gravitační teorie. Ale jen: buď pouze temná hmota (z těžkých částic) nebo třeba i temná hmota (z neutrin) i modifikace gravitačního zákona. A navíc je jen velmi malý prostor pro velikost hmotnosti neutrina. Jestliže bude jen o relativně málo (okolo násobku) menší než současná limita na tu hmotnost, už nebude na vysvětlení temné hmoty v kupě galaxií stačit.

Situaci jsme si pochopitelně popsali velice zjednodušeně. Ve skutečnosti je při dané teplotě rychlost neutrin rozložena v širokém rozmezí a část má rychlost větší než únikovou z galaxie nebo dokonce i z kupy galaxií a část nižší. To, jaká část reliktních neutrin je vázána v galaktické kupě případně i v galaxiích, je silně závislé na jejich hmotnosti, gravitačních zákonech a i celkovém vývoji vesmíru. Proto výpočty, které určují, jaká velikost hmotnosti neutrina je nutná pro vysvětlení pozorovaného průběhu gravitační čočky, kterou vytváří kupy galaxií po srážce, nejsou jednoduché. A právě takové výpočty a analýzy pro různé modifikace gravitačních teorií provedl G.W. Angus s kolegy a nalezl malou skulinku, která by stále vyžadovala potřebu úpravy našeho popisu gravitační síly. I když jde o možnost spíše málo pravděpodobnou.

Jak rozhodnout s účastí českých fyziků

A proč tedy píši i o této možnosti? Otázku, jestli je hmotnost neutrina v té inkriminované oblasti, rozhodne mezinárodní experiment KATRIN, který se staví v Karlsruhe (SRN). KATRIN je přístroj, který bude zjišťovat hmotnost neutrina pomocí měření energie elektronů z rozpadu tritia. Jednou s významných skupin, která pracuje v týmu budujícím toto zařízení, jsou fyzikové z Ústavu jaderné fyziky AVČR v Řeži. Jsou zodpovědní za velice důležitou dlouhodobou kalibraci přístroje. Velmi úspěšnými členy týmu jsou i naši studenti (jak diplomanti tak doktorandi).

Situace ve zkoumání temné hmoty vypadá tedy velmi nadějně a společné úsilí astronomů i jaderných a částicových fyziků by v nejbližším desetiletí mohlo objasnit, jaká forma, pro nás velmi exotické hmoty, jej z velké většiny tvoří. Pokud však jde o temnou energii, jedná se o fenomén ještě daleko záhadnější a pravděpodobně nás čeká ještě mnohem delší cesta k jeho rozlousknutí. Ale o tom podrobněji snad až někdy příště.

Obrázek: Závislost střední kvadratické rychlosti reliktních neutrin s teplotou 1,95 K na hmotnosti neutrina (modrá čára). Pro současnou horní limitu hmotností (m = 2 eV/c²  - fialová přímka) je téměř 5000 km/s. Úniková rychlost z galaxie dosahuje hodnoty až 600 km/s (zelená přímka) a z kupy galaxií i více než 6000 km/s (červená přímka). Pochopitelně, že únikové rychlosti závisí na konkrétní hmotnosti a rozměru příslušných objektů a ze kterého místa unikáme :-). Hlavně u kup galaxií se hmotnosti a rozměry pohybují ve velmi širokém rozmezí.

Kratší a populárnější verze byla publikována v posledním čísle (37) časopisu Ekonom."