Tmavá hmota – 75 ročné vesmírne tajomstvo  
Aj cez ten najdokonalejší teleskop hľadíme na oblohu ako cez mierne poodhrnutú oponu na vesmírne javisko v pološere. Už 75 rokov provokuje nielen astrofyzikov otázka, čo tvorí väčšinu hmoty vo vesmíre – takzvanú tmavú hmotu. Je to zvláštna hra na slepú babu. Vieme stále presnejšie zistiť kde je, ale odpoveď na otázku „čo to je“ ostáva utajená.

Zvětšit obrázek
Dva výrazy tváre Fritza Zwickyho, významného astronóma, ktorý odhalil existenciu tmavej hmoty.

Temná vesmírna podstata

Zvětšit obrázek
Tvar kriviek galaktických rotačných rýchlostí pre špirálový typ galaxie. "A" krivka je teoretická – znázorňuje ako by mali klesať rýchlosti obehu hviezd okolo centra galaxie vzhľadom na vzdialenosť od stredu v prípade neexistencie tmavej hmoty. "B" krivka znázorňuje príklad reálne pozorovaných rýchlostí. Výrazný rozdiel medzi tvarom kriviek je dieľom gravitačného vplyvu hala tmavej hmoty. Credit: Wikipedia

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.

Rozmiestnenie hustôt tmavej hmoty vo vnútorných oblastiach Mliečnej dráhy. Krátke čiarky, ktoré je pri pozornejšom pohľade na obrázku vidieť, znázorňujú smery pohybu častíc.(Credit M. Zemp)
Animácia hustotnej distribúcie tmavej hmoty v Mliečnej dráhe.

Ďalšie rôzne zaujímavé animácie výsledkov počítačovej simulácie vývoja a rozloženia tmavej hmoty v oblasti Mliečnej dráhy. a príslušná obrazová dokumentácia.

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 (viď napr. "Pozůstatky genetického kanibalismu", Dwarf galaxy).

Zvětšit obrázek
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 (bližšie o hviezdnych prúdoch: "Naše galaxie jako talíř špaget"), 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.”

Vieme kde je, nevieme ale čo to je

Zvětšit obrázek
Piero Madau, profesor astronómie a astrofyziky na Kalifonskej univerzite v Santa Cruz a postdoktorand Jürg Diemand sú hlavnými autormi počítačovej simulácie vývoja distribúcie tmavej hmoty v Galaxii

Aj po troch štvrtinách storočia ostáva tá najzákladnejšia otázka „Čo 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? Či 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.


Pre všetkých, ktorí sa dopracovali až sem ponúkame bonus – pekne urobený film o rozsiahlom medzinárodnom projekte 3D mapovaní tmavej hmoty. Komentár je v angličtine:

Mapovaní tmavej hmoty


Zdroj: physorg
University of California - Santa Cruz
Wikipedia a iné

Datum: 24.08.2008 09:11
Tisk článku

Živý vesmír - Kde jsme? Kdo jsme? Kam směřujeme? - Elgin Duane
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 257 Kč
Živý vesmír - Kde jsme? Kdo jsme? Kam směřujeme?
Elgin Duane

Diskuze:

ďalšie pekné videá

Dagmar Gregorova,2008-08-24 22:36:03

Pre záujemcov dopĺňam link na pekné (aj 3D) animácie distribúcie tmavej hmoty vo vesmíre v súčasnosti. Animácia je výsledkom doteraz najväčšej simulácie Millennium. Zverejnené v roku 2005
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace