Horká nebo studená? (ilustrace z Illustris) Kredit: Markus Haider / Illustris.

Už to bude pomalu sto let, co se objevily první náznaky problémů s hmotou ve vesmíru. Dnes mnoho lidí věří tomu, že ve vesmíru podstatná, vlastně zcela rozhodující část hmoty chybí. Nebo vlastně nechybí, ale my o této scházející hmotě nic nevíme. Konkrétní čísla se neustále mění – jak chcete přesně vyčíslit něco, o čem skoro nic nevíte – ale podle standardního kosmologického modelu tento vesmír tvoří cca 4,9 procent běžné, tedy viditelné a zjistitelné hmoty, a 26,8 procent temné hmoty. Zbývajících 68,3 procent vesmíru představuje temná energie, která by měla pohánět zrychlující se rozpínání vesmíru. Přízračnou temnou energii raději ponecháme stranou, abychom na sebe nepřivolali nějakou kletbu. Pokud jde o temnou hmotu, její zavedení sice vyřešilo patálii se scházející hmotou ve vesmíru, ale hned na nás přivolalo mnohem horší problém – co je vlastně temná hmota zač?

Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF).

Teorií je přehršel, stačí si jenom vybrat. Pokud je rozdělíme podle hybnosti odpovídajících objektů tvořících temnou hmotu, pohybujících se náhodnými pohyby v raném vesmíru (FLS, anglicky free streaming length), tak nám nabízejí temnou hmotu chladnou (cold), teplou (warm) nebo horkou (hot). S teplotou to kupodivu až tak nesouvisí. Pokud byly pohyby objektů temné hmoty v raném vesmíru mnohem menší než tehdejší protogalaxie, tak je řeč o chladné temné hmotě. Pokud byly zhruba stejné jako velikost protogalaxií, tak jde o teplou temnou hmotu, a jestliže byly mnohem větší než protogalaxie, tak vytvářejí horkou temnou hmotu.

Klasická kosmologie modelu Lambda-CDM. Kredit: Alex Mittelmann / Coldcreation.

Chladnou temnou hmotu by mohly tvořit objekty MACHO (Massive Compact Halo Objects), čili například velké populace černých děr, objekty RAMBO (Robust Associations of Massive Baryonic Objects), například početné shluky hnědých trpaslíků, masivní částice WIMP (Weakly-Interacting Massive Particles) nebo axiony. S chladnou temnou hmotou počítá momentálně vládnoucí kosmologický model Lambda-CDM, kde CDM znamená právě chladnou temnou hmotu. Tenhle model leccos hezky vysvětlí, jsou v něm ale díry. Největší z nich představuje problém s trpasličími galaxiemi – pokud by temná hmota byla chladná, tak by v raném vesmíru mělo být mnohem víc trpasličích galaxií, než jich pozorujeme. Je možné, že jsme v raném vesmíru trpasličí galaxie prostě ještě nenašli, a infračervené průzkumy oblohy, jako jsou Two-Micron All Sky Survey (2MASS) či Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), je za nějaký čas najdou. Nebo temná hmota není chladná.

Program Hubble Frontier Fields se snaží dostat ještě hlouběji, za Hubble Ultra Deep Field. Kredit: NASA and A. Feild (STScI).

Nicola Menci z Astronomical Observatory of Rome (INAF) a jeho kolegové ve své nové studii, kterou zveřejnil časopis Astrophysical Journal Letters, tvrdí, že temná hmota není ani chladná, ani horká, ale teplá (takže warm dark matter, WDM). Zjistili totiž, že kosmologický model zahrnující teplou temnou hmotu, lépe popisuje situaci, kterou pozorujeme v raném vesmíru. Při svém výzkumu využili data programu Hubble Frontier Fields (HFF), díky němuž se dostáváme do opravdu hlubokého vesmíru. Tento program využívá gravitační čočkování a s jeho pomocí dosáhne hlouběji do vesmíru, než by jinak bylo možné.
Z toho, co Menci a jeho kolegové v datech Hubble Frontier Fields našli, mohli dokonce odvodit limit hmotnosti částic teplé temné hmoty. Výskyt galaxií v raném vesmíru odpovídá tomu, že částice teplé temné hmoty by měly být s vcelku slušnou statistikou těžší než 2,1 keV. Je to vlastně taková unikátní sonda do problému temné hmoty, která je nezávislá na fyzice běžné hmoty. Jestli mají Menci a spol. pravdu, tak by teplou temnou hmotu mohla nejspíš tvořit sterilní neutrina. Jenže, jak čtenáři OSLA dobře vědí, sterilní neutrina sama o sobě představují další šílený problém dnešní fyziky. Menci a další fyzici to ale nevzdávají. Spoléhají na další data z programu Hubble Frontier Fields a těší se, až bude v akci nový Vesmírný teleskop Jamese Weba. S ním si pak pořádně prohlédneme raný vesmír.

Literatura
Universe Today 31.8. 2016, Astrophysical Journal Letters 825: L1, Wikipedia (Dark matter).