Prečo sa Temná hmota volá ako sa volá

Anglický termín Dark matter sa do slovenčiny prekladá ako Temná alebo aj Tmavá hmota. Prvý preklad sa mi pozdáva viac, ale napríklad takej Lise Randallovej sa nepáči ani len ten anglický originál. Vo svojej knihe Dark matter and dinosaurs navrhuje ako alternatívu Transparent matter a keďže je to jedna z najcitovanejších časticových fyzičiek vôbec, kľudne mi verte, že má na to dobré dôvody.

A ja aj tak nesúhlasím. Čiastočne preto, že Temná hmota je podstatne rajcovnejšie meno ako Priehľadná hmota a nudných názvov máme vo vede už tak akurát dosť. Môj hlavný dôvod je však, že to meno má svoju históriu, tak ako ju má napríklad aj atóm. Ten tiež nie je nedeliteľný, ako hlása jeho pôvodom grécke meno, ale už sme si jednoducho zvykli. Okrem toho vieme odkiaľ to meno prišlo, ako aj prečo sme sa mýlili, a to je vždy dobrá lekcia.

O temnej hmote sa vedci bavia už stovky rokov. Možno vás to prekvapí, ale dlho na nej nebolo nič záhadné a ani nebol dôvod ju písať s veľkým T. Tmavé telesá či temná hmota boli presne to, čo tie slová vravia. Teda objekty vo vesmíre, ktoré nevidíme, lebo tam kde sú, je temno, teda málo svetla. Alebo sú jednoducho príliš tmavé, prípadne malé na to, aby sme ich zazreli. Dôležité je, že to, že ich nateraz nevidíme si asi nikto nevykladal tak, že ich nikdy nebudeme vedieť nájsť.

V roku 1846 astronóm Le Verrier krútil hlavou nad systematickými odchylkami v dráhe Uránu od toho, čo spočítal pomocou Newtonových gravitačných zákonov. Zistil, že ono by to vlastne dávalo aj zmysel, ak Urán gravitačne ovplyvňuje iná planéta, ktorú dovtedy nikto nevidel^[1]. Tak si sadol a len tak na drzovku a bez kalkulačky presne spočítal, kde ju treba hľadať. Keď na to miesto namieril ďalekohľad astronóm Galle, naozaj ju uvidel. Dnes ju voláme Neptún. Astrofyzici, ktorí sa venujú Temnej hmote, radi uvádzajú tento príklad ako ukážku toho, že existenciu niečoho vieme predpovedať len na základe gravitačných účinkov tej veci na to čo už vidíme.

Škoda že väčšinou pritom tak nejako pozabudnú spomenúť, že Le Verrier predpovedal aj planétu Vulkán, označovanú aj ako Dark planet. Viedli ho k tomu anomálne odchýlky v pohybe Merkúru. Vulkán sa nikdy nenašiel. Nebolo to preto, že by ho v našej časovej línii romulán Nero zničil 400 rokov pred Spockovým narodením a ani preto, že by bol Le Verrier urobil chybu vo výpočtoch. Problém bol v Newtonovej teórii. Na tento účel jednoducho nie je dosť presná. Trebalo si počkať na Einsteina. Ak pohyb Merkúra spočítate Všeobecnou teóriou relativity, zistíte, že žiadna anomália neexistuje. Merkúr sa hýbe ako má, akurát sa musí popasovať s relativistickými efektami, ako je napríklad zakrivenie časopriestoru, o ktorých Newton nevedel.

Aké z toho plynie ponaučenie? Nuž, čudné gravitačné účinky sú veľmi silnou indíciou, že tam niekde je niečo, čo sme jednoducho ešte nenašli. Ale treba mať na pamäti aj tú možnosť, že teória, ktorou predpovedáme, ako majú tie gravitačné účinky vyzerať, nemusí byť v poriadku.

Koľko že jej je?

Že sú tam vonku veci, ktoré nevidíme, lebo im nikto nevysvetlil, že reflexná vesta je dobrý nápad, bolo teda astronómom jasné v podstate od kedy na tú nočnú oblohu čumia a premýšľajú o nej. Ako tak hútali, vyhútali pestrú zbierku možných kandidátov, čo si môžu hovieť na nebesiach bez toho, aby sme ich priamo spozorovali voľným okom či ďalekohľadom. Do úvahy bolo treba vziať napríklad vyhasnuté hviezdy, vzdialené planéty, asteroidy, vesmírny prach či plyn, ale aj také čierne diery ^[2]. A ako tak premýšľali, začalo ich trápiť, koľko tej temnoty vlastne v tom našom vesmíre je?

Prvý kvantitatívny odhady urobil na začiatku minulého storočia Henri Poincaré a odkazoval sa pritom na termodynamické výpočty lorda Kelvina. Poincaré asi ako prvý použil termín Matière obscure, teda Temná hmota, ako všeobecnú kategóriu, pod ktorú zahrnul čokoľvek temné, čo nie je viditeľné, ale má to gravitačné účinky. Odhadol, že Temnej hmoty je málo a nikto veľmi neprotestoval, lebo to dávalo tak trochu zmysel. Ak si vezmete slnečnú sústavu, tak 99.86% jej celkovej hmotnosti tvorí Slnko. Chvíľu to vyzeralo, že inde vo vesmíre to nebude inak, že drvivú väčšinu hmoty tvoria jednoducho hviezdy a tie vidíme.

Lenže v roku 1933 sa Fritz Zwicky pozrel pozornejšie na galaktickú kopu Coma. Ak máte pocit, že galaxia nie je pre vás dosť veľká, tak kopa by vám hádam mohla stačiť. To je vlastne bunča galaxií. V tejto konkrétnej je ich viac ako tisíc. Zwicky sa zameral na to, ako sa galaxie v Come hýbu. Urobil nejaké tie výpočty a asi sa dosť začudoval. Vyšlo mu, že ak je hmotnosť tej kopy naozaj taká, akú dostal, tak v tej kope musí byť oveľa viac Temnej hmoty ako hviezd.

Najprv to nespôsobilo žiaden veľký ošiaľ. Ono totiž každý takýto výpočet stojí na nejakých predpokladoch. Napríklad koľko hviezd je v priemernej galaxii, aká veľká je tá kopa, ale napríklad aj na predpoklade, že sa tam už všetko viac menej ustálilo. Zwicky aj jeho nasledovníci vedeli, že niektoré z tých predpokladov nemusia byť v poriadku a mohlo by to teda byť celé aj inak. Lenže merania sa spresňovali, teórie o tom, ako sa formujú galaxie sa zlepšovali, pribúdalo pozorovaní aj kontrolných výpočtov a všetko to ukazovalo na to, že Zwicky mal pravdu.

Naviac sa po vojne začala prudko rozvíjať rádioastronómia, lebo kde-kade po európe ostali radarové stanice, o ktoré armády už nejavili záujem. Vďaka rádioastronómom, ale aj zlepšenej spektrografii, a tu musím aspoň spomenúť Veru Rubinovú, sa nám podarilo zmerať, ako rýchlo rotuje viditeľná hmota v galaxiách. No a v mnohých galaxiách rotuje okolo stredu rýchlejšie, ako by mala. Špeciálne tá, ktorá je od stredu ďaleko. Ak hádate, že sa to dá vysvetliť Temnou hmotou, tak máte pravdu. Ale musí jej byť veľa, musí jej byť aspoň desaťkrát toľko, ako tej viditeľnej. A aby toho nebolo málo, tak sa Temná hmota začala objavovať aj v reliktnom žiarení a ukazovalo na ňu aj gravitačné šošovkovanie.

Lenže má to háčik. Tak ako viditeľné svetlo, aj rádiové vlny sú len vlnami elektromagnetickými. Rádioteleskopy nám umožnili vidieť množstvo nádherných vecí, ktoré sa inak schovávali v tme. Je to podobné termovízii, len oveľa lepšie. A viete čo? Žiadnu temnú hmotu sme aj tak nevideli. A ak by to bolo čokoľvek “normálne”, tak sme to vidieť jednoducho mali. Fyzikom začalo pomaly dochádzať, že Temná hmota nebudú šutre, neutretý prach, ani dáke, nech mi je prepáčené, plyny. Ak je to naozaj hmota, tak nie je tmavá. Je neviditeľná.

Máte pocit, že toto už je ako niečo od H. G. Wellsa a nie z vedy? Tak je asi namieste sa pobaviť o tom, čo to vlastne znamená, že niečo vidíme.

Čo znamená že ju nevidíme?

Že je niečo viditeľné znamená len toľko, že to niečo interaguje so svetlom, teda s elektromagnetickým žiarením. Aby som to vysvetlil lepšie a ukázal kam mierim, potrebujem povedať čosi málo o interakciách a elementárnych časticiach.

Poznáme štyri základné interakcie, alebo sily ak chcete. Sú to gravitačná, silná, slabá a elektromagnetická interakcia. Máme aj tabuľku základných častíc, z ktorých sa dajú poskladať všetky ostatné častice, atómy, molekuly ale aj lesný kolesový traktor ak treba.

Akákoľvek častica, aj taká ktorá nemá hmotnosť, podlieha gravitácii. To preto, že gravitácia nie je sila ako si ju predstavujeme v klasickej fyzike, ale zakrivenie časopriestoru. V tomto priestore existuje všetko ostatné. Nie len častice, ale aj tie zvyšné interakcie. Ale gravitácia je iná ako zvyšné interakcie. To, čo platí pre ňu, neplatí nutne pre tie ostatné. S tými nám pomôže naša tabuľka častíc. Na úrovni základných častíc nie je interakcia medzi nimi nič iné, ako že si vymenia nejakú inú časticu.

Všimnite si, že častice sú v tabuľke rozdelené do skupín. Máme tam kvarky, leptóny a kalibračné bozóny. Tie posledné sú presne tie častice, ktoré si tie ostatné vymieňajú. Sú to nosiče interakcií. Tak napríklad kvarky si vymieňajú bozóny, ktoré sa volajú gluóny. A to je silná interakcia. Lenže také leptóny si nevedia vymieňať gluóny, čo je to isté, ako povedať, že necítia silnú interakciu. To je dobré, lebo by nám inak elektróny popadali do jadier atómov a bez nich by sa nám žilo ťažko. Hovorí nám to niečo dôležité. Nie všetky častice interagujú všetkými interakciami. A sme tam, kde sme chceli byť. Elektromagnetická interakcia prebieha tak, že si tie malé vecičky vymieňajú fotóny. To sú častice svetla, teda elektromagnetické žiarenie. Keďže vidieť znamená chytať fotóny, vidíme len to, čo s fotónmi nejako interaguje.

Neutrína, tie vecičky na spodku tabuľky, si s fotónmi nerozumejú. Alebo inak, nepapajú ani nepľujú fotóny.

“A máme to! Neutrín je plný vesmír, majú nejakú tú hmotnosť, ale hlavne sú priehľadné! Svetlo ich ignoruje a je preto jedno, ako budeme cibriť ďalekohľady. Neuvidíme ich! Toto jednoducho musí byť tá Temná hmota, ktorú nevieme nájsť!” Povedali si fyzici a šli spokojne na pivo zapiť, akí sú bystrí a pekní a vôbec. Ale na druhý deň si spomenuli na to, že sú vedcami a začali premýšľať, ako by sa toto dalo vyvrátiť. Lebo presne takto vyzerá vedecký tréning. Ak máte krásny príbeh, ktorý dáva zmysel a veľa by vysvetlil, tak prvá vec ktorú musíte vymyslieť, je čo najjednoduchší test, ktorý by mohol ukázať, že je to blud. Čo čert nechcel, fakt sa tým darebákom podarilo vyvrátiť neutrína ako významný zdroj Temnej hmoty. A nebolo to o tom, že deň predtým priveľa vypili. Ukázalo sa, že neutrína sú príliš ľahké, rýchle a nie je ich dosť aby vysvetlili Temnú hmotu. A toto už bol malér. Pretože v tabuľke častíc, ktoré by mali tvoriť všetku hmotu, nám už nezostal žiaden kandidát na tú temnú.

Ďalší Vulkán?

Dobre ale teraz sa už musíme zastaviť a zamyslieť. Máme dve veľké a rokmi overené teórie. Teória gravitácie vraví, že prevažnú časť hmoty vo vesmíre tvorí niečo neviditeľné. Potom je tu ale aj Štandardný model, čo je teória, ktorá od sedemdesiatych rokov správne predpovedala všetky častice, ktoré sme kedy našli. No a táto teória nepozná nič, čo by mohlo tú neviditeľnú hmotu tvoriť.

To znamená, že aspoň jedna z týchto teórii nie je v poriadku^[3]. Nie je to úplne prekvapujúce, pretože tie teórie nie sú kompatibilné. Nedajú sa prirodzene zošiť do jednej. Povedal by som, že prevažná väčšina fyzikov si myslí, že opravu alebo nadstavbu, bude potrebovať štandardný model, lebo sú na to aj iné dôvody ako Temná hmota. Lenže ak je problém so všeobecnou teóriou relativity, tak zase raz zbytočne hľadáme Vulkán. Lebo v takom prípade nie je Temná hmota hmotou, ale len chybou v rovniciach.

Bola by to veľká vec opraviť Einsteina a verte, že mnoho teoretikov to aj preto skúša. Lenže Všeobecná teória relativity je parádny model sveta. Nejde len o to, že sme okrem Temnej hmoty zatiaľ nenašli experimentálne nič, čo by ukazovalo, že potrebujeme niečo presnejšie. Ona je aj teoreticky podkutá tak, že je ťažké ju zlepšiť alebo rovno nahradiť.

Ale nejaké viac či menej sľubné kandidátky predsa len existujú.

Máme tu napríklad holografický princíp, ktorý tvrdí, že gravitácia nie je základnou interakciou, ale len dôsledkom mnohých kvantových fluktuacií, a to, čo sa nám javí ako Temná hmota, je len dôsledkom interakcií medzi temnou energiu, o ktorej dnes reč nebude, a normálnou hmotou. Sú tu aj rôzne snahy upraviť gravitačné zákony tak, aby gravitácia pôsobila na veľkých vzdialenostiach inak ako na malých. Iní teoretici pracujú s takzvaným kvantovým tlakom, ktorý je vždy väčší v smere, kde má normálna hmota viac normálnych kamarátov. Ďalší by dali ruku do ohňa, že na vine je piata základná interakcia, ktorú sme ešte nenašli. A mohol by som pokračovať, lebo aspoň raz za rok niekto príde s nápadom ako sa zbaviť Temnej hmoty. Lenže ono to zatiaľ tak nejako nefunguje.

Hlavným  dôvodom je, že niektoré pozorovania sa ťažko vysvetľujú len opravením rovníc. Takým pozorovaním je napríklad rozloženie hmoty v galaxiách, ktoré sa zrazili. Máme merania, ktoré ukazujú, že keď sa zrazia dve galaxie (animácia – temná hmota je modrou), tak to vyzerá ako čelná zrážka dvoch áut vo vysokej rýchlosti. Normálna hmota sú tu autá a nepripútaní vodiči hrajú nešťastnú rolu Temnej hmoty. Ten chýbajúci pás značí to, že Temná hmota je len slabo zviazaná s tou normálnou. Po takej zrážke zostanú autá viac menej spolu. Lenže vodiči preletia poriadnu vzdialenosť. Trochu temné čo? Tak nech je to veselšie, predstavte si, že tí vodiči boli na takéto veci trénovaní cirkusový klauni a v každom aute ich bolo viac ako auta samotného. Tesne po zrážke dostaneme divnú situáciu. Keďže je tej tmavej hmoty viac a preletela ďaleko, najväčšie gravitačné pôsobenie je úplne mimo viditeľnej hmoty. A teraz toto vysvetlite len úpravou rovníc pre tú viditeľnú hmotu, teda bez klaunov.

Niežeby sme to neskúšali. Niektorým tým teóriám sa aj podarí vyriešiť jeden alebo dva problémy, lenže potom nabúrajú pri nejakom treťom. Prípadne sú tie teórie oveľa zložitejšie ako všeobecná teória relativity a aj tak nedávajú porovnateľne dobré predpovede. Ja tým snahám držím palce. Môžu úplne zmeniť paradigmu, a to je vždy dobrodružstvo. Lenže nateraz to vyzerá tak, že problém bude v štandardnom modeli častíc a nie v Einsteinovom magnum opus.

Častice ktoré sme zatiaľ nenašli

Pravda je taká, že sa časticoví fyzici snažia dostať zo spárov ich štandardného modelu už dlho. Vlastne to začalo dávno pred tým, ako sa zistilo, že v ňom nie je nič, čo by mohlo tvoriť Temnú hmotu. Už v sedemdesiatych rokoch minulého storočia sa pohrávali s takzvanou supersymetriou. Povedal by som, že tak trochu z estetických dôvodov, pretože symetrie sú pekné a tak. Ale asi by sa na mňa hnevali, lebo vraj na tom bolo aj niečo viac. Pár problémov ten model má aj bez Temnej hmoty. Napríklad Štandardný model predpovedá nulovú hmotnosť neutrín, ale dnes už vieme, že nejakú tú hmotnosť predsa len majú. Štandardný model tiež nevie vysvetliť prečo máme vo vesmíre o toľko viac hmoty ako antihmoty a nerozumie si so všeobecnou teóriou relativity.  V každom prípade jeho supersymetrické rozšírenie predpokladá, že každá častica má supersymetrického partnera. Ten je rovnaký ako ona sama, akurát ak je táto častica fermiónom, tak partner bude bozón a naopak. Keď sa pozriete na našu tabuľku častíc, kde sú fermióny v prvých troch stĺpcoch a bozóny v ďalších dvoch, tak si ľahko uvedomíte, že ak by toto platilo, tak nejaké častice nám chýbajú. No a niektoré z nich by podľa symetrií naozaj mohli byť Temnou hmotou. Kde je háčik? Žiadnu časticu, ktorá by v tej tabuľke už nebola, sme zatiaľ nenašli. A veru že hľadáme. Môže to tak vyzerať, ale LHC sa v skutočnosti nestavalo len kvôli Higgsovmu bozónu.

Sú aj iné možnosti. Napríklad kvantová chromodynamika, čo je teória silnej interakcie, predpovedá narušenie jednej špeciálnej symetrie. Takéto narušenie sa ale nikdy experimentálne nepozorovalo a jedno sľubné teoretické vysvetlenie tohto problému predpovedá hypotetickú časticu známu ako axión. Tiež by mohol hrať rolu Temnej hmoty a tiež sme ju ešte nevideli. Je toho samozrejme viac, je toho vlastne veľa. Asi by som mal aspoň spomenúť teóriu superstrún a kde aké farebné (technicolor) rozšírenia.

Tak trochu znepokojujúce je, že tam vonku by pokojne mohol existovať celý vesmír poskladaný z častíc podobných tým v našej tabuľke. Ale ak by mal vlastné interakcie, ktoré by ignorovali tie naše častice, nikdy by sme to nezistili. Temná hmota by mohla byť aj z takého vesmíru. Jednoducho taká oplanica, čo sa s nami nebaví, ale aj tak zavadzia, lebo tiež cíti gravitáciu.

Dobre, takže čo to tá Temná hmota vlastne je? Po pravde nevieme. Dlho sme si mysleli, že je to fakt len temná hmota. Už si to nemyslíme, ale názov sme si nechali. Neil deGrasse Tyson vo svojej knihe Origins zadefinoval Temnú hmotu tak trochu šalamúnsky. Jednoducho vyhlásil, že je to reálny efekt, ktorý sa pri popise našich pozorovaní terajšími teóriami tvári ako hmota ktorú nevidíme. A to je celé.

Čo to presne je, či chyba v rovniciach, piata sila, exotická hmota, alebo niečo, čo nám ešte ani nenapadlo, hádam časom zistíme a asi to bude veľká vec. Jediné, čo sa nateraz odvážim povedať je, že Temná hmota skoro isto nie je temná a možno, ale len možno, ani hmota.

Poznámky:

[1] Neptún videl asi už Galileo, ale nepokladal ho za planétu.
[2] A to dávno predtým, ako sa ukázalo že niečo také môže existovať.
[3] Ešte je aj iná možnosť. Možno nie je v poriadku naša teória merania. Napríklad predpokladáme, že naša poloha vo vesmíre nie je ničím špeciálna. Možno je a možno nám to kazí merania. Možno.
[4] Cipana, zabudol som uviesť asi hlavný zdroj, ktorý je podľa mňa lepší ako v texte uvádzané knihy. Tu je jeho voľne dostupná verzia. Nie je to typický fyzikálny článok, ale je pre fyzikov, takže je trochu ťažší.