Je tam temná hmota? Anebo ne? Kredit: X-ray: NASA/CXC/SAO; Optical: Detlef Hartmann; Infrared: NASA/JPL-Caltech.

Astrofyzici jednoho dne zjistili, že hvězdy v galaxiích divně obíhají kolem galaktického centra. Orbitální rychlosti hvězd by měly klesat s rostoucí vzdáleností oběžné dráhy od středu galaxie. Jenomže neklesají. Bylo to šokující a tak si vědci vymysleli temnou hmotu, jejíž gravitace by mohla pozorované zvláštnosti vysvětlit. Tím ovšem zahájili legendární a strastiplné hledání temné hmoty, které bylo doposud zhola marné.

Victor Flambaum. Kredit: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Někteří badatelé proto nehledají temnou hmotu, ale alternativní vysvětlení, které by uspokojivě vyřešilo pozorované fenomény a přitom by nepotřebovalo přízračné částice, které nikdo nikdy neviděl. Tak postupuje i fyzik Victor Flambaum z Johannes Gutenberg-Universität Mainz v německé Mohuči se svými spolupracovníky. Ve své nové studii navrhují, že by divokou rotační dynamiku galaxií mohlo vysvětlit něco jiného než temná hmota. Podle nich by to mohla být zcela mizivá, nicméně nenulová hmotnost fotonů, částic elektromagnetického záření, o nichž si prakticky všichni myslí, že žádnou hmotnost nemají.

S nulovou hmotností fotonu je to ovšem složitější a pro laika dost fascinující. Na výzkumu se podílel i Dmitri Ryutov, donedávna z kalifornských laboratoří Lawrence Livermore National Laboratory, který je autorem nejuznávanějšího stanovení maximální možné hmotnosti fotonu. Tato teoretická limitní hmotnost je tak nesmírně malá, že je obvykle zcela ignorována a všichni mluví o tom, že foton má klidovou nulovou hmotnost. Ve skutečnosti ale není jasné, jestli to tak opravdu je nebo zda foton čirou náhodou nemá hmotnost, nezměrně malou, leč nenulovou.

Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

V běžné částicové fyzice a fyzice každodenní reality by tak nepatrná hmotnost fotonu prakticky nic neznamenala. Nic by se nezměnilo. Jenomže v měřítku nepředstavitelně obrovských astrofyzikálních fenoménů by i zoufale nepatrná nenulová hmotnost fotonu měla vliv. Flambaum s kolegy si to spočítali, přičemž vycházeli z rovnic, jejichž autory jsou James Clerk Maxwell a Alexandru Proca.

A výpočty se jim dařily. Je to vlastně tak jednoduché, až je to nudné. Žádná nová fyzika, žádné překvapující fenomény, žádné bizarní nové částice na kvílejících urychlovačích. Flambaum a spol. zjistili, že když by fotony měly hmotnost, monumentálně nepatrnou hmotnost – která by byla mnohem menší, než je stávající a už sám o sobě extrémně nepatrný horní limit pro možnou hmotnost fotonu – tak by to ve svém důsledku mělo dostatečně vysvětlit pozorovanou rotační dynamiku hvězd v galaxiích.

Vědci byli v ráži a zjišťovali, jak by se jejich hypotéza projevila na vzniku a vývoji hvězd. Ukázalo se, že relativně malé a dlouhověké hvězdy, jako je třeba Slunce, by v případě nenulové hmotnosti fotonů měly mít nápadně eliptické oběžné dráhy kolem centra galaxie. To je v přímém rozporu s dosavadními pozorováními. Flambaum s kolegy tudíž souhlasí s tím, že jejich teorie s nenulovou hmotností fotonu zřejmě kompletně nevysvětlí všechno kolem problému s temnou hmotou. Může prý ale stále být součástí řešení. Jak je vidět, temná hmota nás všechny neustále udržuje ve střehu.

Literatura
Johannes Gutenberg-Universität Mainz 6. 3. 2019.