Temná hmota se ve slovníku současných fyziků a astronomů vynořila poprvé proto, aby pomohla zacelit nesrovnalosti v pozorování pohybu hvězd v některých typech galaxií.

Od té doby fyzikové v urychlovačích částic i ve vesmíru pátrají po čemkoliv, co by bylo možné za temnou hmotu označit. Rodí se již nejen představa jejích tajemných částic, ale i první mapy jejího rozmístění ve vesmíru.

Na počátku 20. století nahradil Albert Einstein (1879–1955) staré, Newtonem položené základy fyziky základy novými, relativistickými. Na krátkou dobu se zdálo, že vesmír přišel o většinu ze svých tajemství. Idyla však netrvala dlouho.

Sotva 20 let po Einsteinově epochálním vystoupení se ozval první hlas oznamující, že funguje-li gravitace podle Einsteinových zákonů, pak ve vesmíru, jak jej pozorujeme, něco nutně chybí.

Pro substanci, která si od té doby hraje s vědci „na schovávanou“, se vžil název „temná hmota“. Vědcům z několika vědeckých týmů se nedávno podařilo temnou hmotu nikoliv přímo „zapikat“, ale zahnat ji alespoň do kouta, z něhož se jí bude už těžko utíkat.

Kupka sena okolo jehly

„Hřiště“, na němž se hraje hra „na fyziku“, je vymezeno lépe, než jakékoliv jiné. Podle současných znalostí nepůsobí v přírodě jiné síly, než čtyři základní: silná a slabá jaderná interakce, elektromagnetismus a gravitace.

Vše, co můžeme pozorovat, musí být výsledkem „přetahování“ mezi nimi. Potíž, na níž poprvé narazil astronom Fritz Zwicky (1898–1974) ve 30. letech 20. století, spočívá v tom, že by měl existovat typ hmoty, která tato pravidla tak trošku ignoruje.

Tedy – neignoruje je zcela. Spíše s nimi hraje hru na schovávanou.

Záhadná „temná hmota“, která by podle současných výpočtů měla tvořit celých 23 % vesmíru, totiž neinteraguje (vzájemně nepůsobí) se světlem, ani s žádnou jinou vlnovou délkou elektromagnetického záření (např. rádiovými vlnami, mikrovlnami, infračerveným světlem, UV světlem atd.).

Stejně tak je na ni krátká i silná jaderná interakce. Pro pozorování tedy zbývají už jen poslední dvě za čtyř základních sil přírody: gravitace a slabá jaderná interakce.

Duch procházející zdí

Vědci si však velmi záhy uvědomili, že kandidáta na temnou hmotu je možné hledat i jinde, než mezi tzv. baryonovou hmotou.

Baryony, tedy částice tvořené ještě titěrnějšísi stavebními cihličkami, kvarky, v sobě koncentrují drtivou většinu hmoty, z níž je vytvořeno vše kolem nás.

Tedy všechno – „pouze“ to, co dokážeme vnímat nejen svými smysly, ale i prostřednictvím velmi delikátní přístrojové techniky. Temná hmota však musí mít zvláštní vlastnosti, díky nimž prochází skrze vše ostatní jako duch zdí.

V rodině doposud známých částic mají k takovým vlastnostem nejblíže neutrina. Ta jsou však podle všech současných měření příliš lehká na to, aby zapadala do matematických modelů. Řadu podobných vlastností by měli mít i další kandidáti v částicovém světě, tzv.

axiony, jejichž existence byla předpovězena již v roce 1977.  I přes velmi intenzivní pátrání se však tyto částice zatím nepodařilo objevit.

Slabé, ale hmotné

V modelech fyziků a kosmologů se proto velmi zabydlela představa neznámých částic, jež by měly vlastnosti velmi podobné neutrinům či axionům, byly by však podstatně hmotnější.

Těmto zatím pouze „vymyšleným“ částicím přezdívají fyzikové WIMPs, tedy „slabě interagující těžké částice“ („Weakly Interacting Heavy Particles“).

Pátrání po nich se věnuje řada vědeckých týmů světa a odehrává se ve dvou extrémních oblastech. První z nich jsou zemské hlubiny, většinou opuštěné doly, v nichž jsou umístěny přístroje, které by měly zachytit průchod Země skrze temnou hmotu.

Principem takových detektorů je kolize atomových jader krystalu s částicemi WIMP prostřednictvím slabé interakce.

Při takové kolizi by se měl vyzářit foton, a přítomnost částic WIMP se proto projeví jako slabý záblesk.  Druhou z oblastí, k níž se vědci obracejí, jsou procesy ve vesmíru.

V posledních měsících se z obou táborů vědců ozvaly novinky, které naznačují, že tajemné WIMPsy by se mohly přestat schovávat.

Let po proudu i proti němu

Detektory umístěné v hlubinách ověřují jeden základní předpoklad.

Celoroční pohyb Země okolo Slunce by totiž měl mít za následek, že část roku letí Země po směru, jinou část proti směru proudu částic WIMP. Tento drobný rozdíl by mohl být velmi citlivým detektorem zachycen jako slaboučký záblesk v aktivní látce detektoru.

První vlaštovkou byly výsledky, které detektor DAMA umístěný pod horou Gran Sasso takřka v samém středu Itálie přinesl již v roce 1998. Výsledky jediného experimentu však vědcům nikdy nestačí, a tak bylo třeba pátrat dál.

Skeptici namítali, že signál mohl být způsoben radioaktivními látkami, které se do podzemí dostaly spolu s tajícím sněhem.

Nové zprávy z hlubin

Od roku 2003 začaly z podzemí hory Grand Sasso přicházet další zajímavé zprávy.  Vylepšená verze DAMY s názvem LIBRA zachytává každoročně ještě silnější signál.

Nejvíce novinek však přinesl rok loňský, tedy rok 2011. Detektor CRESST II., umístěný taktéž pod horou Gran Sasso, zachytil během jednoho roku na 67 signálů, které nelze vysvětlit jiným způsobem, než interakcí s WIMPs.

K obdobným výsledkům došel i detektor CoGeNT v americkém dole Soudan ve státě Minnesota, který začal sbírat data v roce 2009. Po 442 dnech měření došli vědci k závěru, že záblesky, které vykazovaly specifické sezónní rozdělení.

„Je-li tomu skutečně tak, pak máme před sebou krásný příklad signálů, prozrazujících existenci temné hmoty,“ neskrývá nadšení mluvčí experimentu CoGeNT Juan Collar z University of Chicago.

  I když se výsledky měření Italů a Američanů neshodují přesně, všechny ukazují na „těžké“ částice v oblasti 7 – 20 gigaelektronvoltů.

A další zprávy z vesmíru…

Se zprávami z táborů pátračů po temné hmotě se v posledních měsících jako by roztrhl pytel. Tentokrát se však nejedná o výsledky pátrání v temných dolech, ale v hlubinách vesmíru.

Novinky přinesl zejména Fermiho vesmírný teleskop, jehož úkolem je propátrávat vesmír v oblasti vysokoenergetického gama záření, v níž by se částice WIMP měly nejsnadněji prozradit.

Vzájemné kolize částic WIMP by totiž musely nechávat stopy v podobě kaskády částic, na které by se díky srážce rozpadly.

Pozorování takových dějů však není jednoduché, zdrojem vysokoenergetického gama záření jsou ve vesmíru například pulzary či vybuchující supernovy.

„Částicová fyzika stojí a padá s pečlivou statistickou analýzou dat.

Data získaná z vesmíru je třeba statisticky prosévat ještě opatrněji, než data z pozemských experimentů,“ vysvětluje jeden z nejuznávanějších expertů na tuto problematiku Dan Hooper z Fermilabu v americkém státě Illinois.

Pohled na galaktické trpaslíky

Do pečlivé statistické analýzy se ve Fermilabu pustily hned dva týmy. První z nich, který vedl Johann Cohen Tanugi z univerzity v francouzském Montpellier, se věnoval analýze dat nashromážděných během dvou let pozorování deseti tzv. trpasličích galaxií obíhajících Mléčnou dráhu.

Druhý tým pod vedením Alexe Gehinger-Sametha a Savvase Koushiappase z Brownovy university z Rhode Islandu v USA se zaměřil také na trpasličí galaxii v okolí Mléčné dráhy. Vybrali si jich sice „jen“ 7, zato však analyzovali data ze 3 let pozorování.

I když oba týmy používaly jiný soubor dat a jiný způsob statistické analýzy, došly nezávisle na sobě k podobným závěrům. Pakliže tajemné částice WIMP skutečně existují, pak musejí být relativně těžké s energií okolo 40 gigaelektonvoltů.

Příliš málo paprsků

A jak k takovému závěru vědci došli?

„Kdyby byla každá částice temné hmoty malá a lehká, muselo by jich být ke způsobení nepřímo pozorovaných gravitačních efektů velké množství.  Kdyby jich však bylo tolik, muselo by proběhnout mnohem více srážek a my bychom zaznamenali mnohem více gama paprsků.

To se však nestalo,“ vysvětluje prof. Koushiappas.

Ani to však ještě neznamená vítězství. Řada proměnných může být totiž skryta v předpokladech, které podobný typ lovu vůbec učinily smysluplným.

„Kdyby se temná hmota rozpadala na částice, které Fermiho teleskop nedokáže odhalit, nebo kdyby se v době, kdy byl vesmír mladší a teplejší, pohybovaly rychleji, byla by jejich energie  stále pod hodnotou 10 gigaelektronvoltů,“ vysvětluje prof.

Hooper. Příběh lovu na částice temné hmoty tak má ještě stále řadu otevřených konců.

Počátky „temné kartografie“

Tím však nedávné pokroky v odhalování „temných“ stránek vesmíru nekončí. Kongres Americké astronomické společnosti, který se zde konal 8. – 12. ledna letošního roku, proto bude možná v budoucnu označen jako počátek „temné kartografie“.

Své výsledky při mapování distribuce temné hmoty ve vesmíru představilo hned několik týmů z prestižních světových vědeckých pracovišť.

Při budování svých map vědci využili možnost, že po temné hmotě lze pátrat tím nejtradičnějším způsobem, tedy pomocí gravitace.

Jelikož gravitace působí na všechny známé typy substancí ve vesmíru, lze skrze její viditelné působení na její neviditelnou příčinu alespoň usuzovat.

„Stačí“ přesně analyzovat distorze (zkreslení) světelných paprsků, které k nám vysílají vzdálené galaxie.

A jelikož spolu se pozorováním světla cestují astronomové vlastně zpátky v čase (často i miliardy let), dají se jejich „mapy“ vlastně nazvat čtyřdimenzionálním modelem.

První mapy temné hmoty ve 4D

„Je fascinující, že můžeme temnou hmotu vidět skrze „pokroucení“ časoprostoru.

Poznání, jakým způsobem je temná hmota ve vesmíru distribuována, je důležitým krokem k rozpoznání její povahy a následně toho, jak – a zda vůbec – zapadá do současné struktury fyzikálního poznání,“ popisuje své nadšení jeden ze spoluautorů jedné z map profesor Ledovic Van Waeberke z University of British Columbia v kanadském Vancouveru.

„Nastane díky poznání temné hmoty v budoucnu dominový efekt vědeckého pokroku? Povede k poznání povahy temné energie, jednotné teorii pole či Teorii Všeho, o níž fyzikové sní celá staletí?,“ klade důležité otázky budoucnosti Dan Hooper z Fermilabu.