Kvantová tornáda v supratekutém heliu. Kredit: SLAC National Accelerator Laboratory.

Dejme tomu, že existuje temná hmota, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru. Francouzské teoretické fyziky zajímalo, co se stane, když hala temné hmoty, gigantické útvary, které obklopují galaxie ve vesmíru, rotují. Je to rozumná představa, protože galaxie, očividně, prakticky po celou dobu své existence rotují.

Philippe Brax. Kredit: P. Brax.

Donedávna si vědci většinově představovali temnou hmotu jako oblak těžkých a pomalých částic, v podstatě bez vnitřní struktury. Philippe Brax a Patrick Valageas z Université Paris-Saclay se zaměřili na ultralehkou variantu částic temné hmoty, konkrétně na částice o hmotnosti asi miliontiny elektronu. Takové částice by nejspíš do jisté míry interagovaly mezi sebou a chovaly by se spíše jako kvantová kapalina.

Chování kapaliny dovoluje vznik solitonů, kompaktní struktur, jako jsou osamělé vlny, v nichž je působení gravitace vyrovnáváno tlakem vzájemných interakcí částic. V případě temné hmoty mohou podle Braxe s Valageasem solitony nabývat velikosti hvězd nebo i celých galaxií – podle toho, kolik skutečně váží případné částice temné hmoty. Pokud by platila varianta s velikostí galaxií, mohla by solitonová povaha temné hmoty vysvětlit, proč se v centrech galaxií jeví temná hmota jako méně hustá, než jak předpovídají modely.

Logo. Kredit: Université Paris-Saclay.

Badatelé simulovali chování rotující temné hmoty tvořené ultralehkými částicemi a čekalo je překvapení. Namísto masivních hurikánů nebo sférických oblaků vznikla v solitonech temné hmoty mřížová struktura tvořená mikroskopickými víry. Tyto víry přitom nejsou jako větrné či vodní víry.

Ve skutečnosti připomínají liniové kvantové vírů, jaké se objevují v suprakapalinách typu kapalné helium, kdy kapalina nerotuje jako celek, ale jako soustava rotujících vláken. V centru každého víru by přitom měla hustota temné hmoty klesat k nule. Tyto kvantové víry by měly vytvářet pravidelný vzor, podobný krystalové mřížce.

Brax a Valageas si s touto myšlenkou pohrávají a představují si, že by tato struktura mohla mít značné důsledky na gigantických vesmírných škálách. Pokud takto fungují hala temné hmoty, mohly by některé víry rotující temné hmoty přesahovat jednotlivá hala a propojovat hala navzájem, což by vlastně vytvářelo vlákna kosmické pavučiny. Detekce takových struktur temné hmoty, pokud existují, prý vůbec nebude jednoduchá. Určité možnosti prý ale jsou. Nechme se překvapit.

Video: Quantum Fluids in Astrophysics: Modeling Cosmic Phenomena with Superfluidity

Literatura

Live Science 19. 6. 2025.

Physical Review D 111: 103538.