Je to falešný poplach nebo objev, který řeší jedna z největších záhad v kosmologii? To je otázka, která tíží astronomy při zkoumání studie zveřejněno nedávno v Journal of Cosmology and Astroparticle Physicskterý tvrdí, že konečně odhalil nepolapitelnou „temnou hmotu“.
Předpokládá se, že temná hmota existovala po většinu 14 miliard let historie vesmíru. Astronomové ji začali hledat na počátku 30. let 20. století poté, co švýcarský astronom Fritz Zwicky pozoroval, že galaxie v kupě Coma se pohybují příliš rychle na množství běžné hmoty, kterou obsahuje. Uvědomil si, že rychlost jejich rotace je tak velká, že se měli rozletět, protože neměli dost hmoty na to, aby vytvořili gravitaci potřebnou k udržení pohromadě. Usoudil, že nějaká skrytá hmota by mohla poskytovat „extragravitaci“ potřebnou k tomu, aby galaxie zůstaly nedotčené. Pojmenoval tuto temnou hmotu.
Neviditelné WIMPy
Podle Standardního modelu částicové fyziky se obyčejná (baryonická) hmota, která tvoří svět kolem nás, skládá z elementárních částic, jako jsou baryony (protony a neutrony) a elektrony, spolu s bezhmotnými fotony elektromagnetického záření, jako je světlo. Samotné baryony se skládají z ještě menších částic zvaných kvarky a gluony. Ale všechny tyto základní částice tvoří pouhých 5 % veškeré hmoty ve známém vesmíru. Temná hmota tvoří 27 %, zatímco zbytek tvoří tajemná síla zvaná „temná energie“.
Fyzici nevědí, z čeho se temná hmota skládá, ale jedna z jejich hypotéz je dosud neznámý typ subatomární částice zvané WIMP. Název je zkratka pro „slabě interagující masivní částice“. Podle fyziků WIMP sotva interagují s normální hmotou a už vůbec ne s jakoukoli formou elektromagnetického záření. Protože temná hmota nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží světlo, mohou astronomové studovat pouze její gravitační účinek na viditelnou hmotu, jako jsou hvězdy a galaxie.
Trik, jak ho najít, je najít jeho výmluvný podpis: vysokoenergetické částice, jako jsou fotony gama záření, které se uvolní, když se dva WIMP srazí a navzájem se anihilují.
Nový nárok
Tomonori Totani z Tokijské univerzity nyní tvrdí, že ve své studii identifikoval právě takový gama signál pomocí dat z Fermiho kosmického dalekohledu Gamma.
„Detekovali jsme gama paprsky s fotonovou energií 20 giga-elektronvoltů (nebo 20 miliard elektronvoltů, extrémně velké množství energie) šířící se ve struktuře podobné halo směrem ke středu galaxie Mléčná dráha,“ řekl prof. Totani. „Emisní složka gama záření přesně odpovídá tvaru očekávanému od halo temné hmoty.“
Dodal, že naměřené energetické spektrum gama záření „těsně odpovídá modelovým předpovědím pro zničení hypotetických WIMP s hmotností zhruba 500krát větší než proton“.
Astronomové vždy věděli, že temná hmota se musí prakticky skrývat na očích a že ji dříve nebo později najdou. Našel to však prof. Totani? Ne tak docela, říkají odborníci, protože výzkumná data musí přežít přísnou kontrolu a kritické hodnocení nezávislými výzkumníky.
„Nadměrné“ záření
„Když vidíme signál, který vypadá, že by to mohla být temná hmota, můžeme zkontrolovat další oblasti bohaté na temnou hmotu, abychom tam našli srovnatelný signál,“ řekl Tracy Slatyer, profesor fyziky a ředitel Centra pro teoretickou fyziku MIT tomuto korespondentovi e-mailem.
„Studium podrobných vlastností signálu by ukázalo, zda je v souladu s tím, co očekáváme od temné hmoty, nebo zda má vlastnosti více konzistentní s alternativním zdrojem. Dosud jsme měli mnoho signálů, které na první pohled vypadaly jako temná hmota, ale následná hloubková analýza odhalila, že pocházejí z jiného zdroje. Navíc celková velikost signálu není taková, jakou byste očekávali od klasických modelů WIMP, a když testujeme příliš velké modely WIMP“ regionech, nevidíme odpovídající signál.“
Podle Rishi Khatriho z oddělení teoretické fyziky Tata Institute of Fundamental Research v Bombaji zjištění naznačují detekci přebytku radiace ve srovnání s tím, co kosmologové očekávají od modelu galaxie Mléčná dráha.
Ilustrace dvou gigantických bublin X-ray/gama-ray (modrofialová), o kterých je známo, že jsou spojeny s Mléčnou dráhou (uprostřed). | Fotografický kredit: NASA
„Je možné, že tento přebytek jen ukazuje na něco, co v modelu naší galaxie chybí, spíše než na temnou hmotu.“ Prof. Khatri řekl v e-mailovém rozhovoru. „Na základě toho, co studie tvrdí, můžeme předpovědět, jaký druh signálu můžeme očekávat od jiných blízkých galaxií, a poté se pokusit tyto signály pozorovat. V minulosti již mnohokrát zazněla podobná tvrzení o detekci temné hmoty, která se však ukázala jako nepravdivá.“
Záření z jiných zdrojů
Objevy ve fyzice částic musí obvykle dosáhnout úrovně spolehlivosti nazývané „5 sigma“, než jsou považovány za platné. Kde na tomto měřítku stojí nové zjištění?
„Překročení uvedené v článku se zdá být docela více než 5-sigma, aniž bychom vzali v úvahu nejistotu v modelování,“ řekl prof. Khatri. „Autor neuvedl číslo se zahrnutou nejistotou modelování. To by vám mělo poskytnout představu o tom, jak nejistí jsme ohledně nejistoty (tj. chyby na chybových úsecích), která je v takových studiích velmi důležitá.“
Okamžitým úkolem astronomů by bylo vyloučit možnost záření pocházejícího z některých jiných zdrojů vysokoenergetického záření, jako jsou supernovy, explozivní smrt hmotných hvězd; neutronové hvězdy, ultrahustá zhroucená jádra hmotných hvězd po explozích supernov; nebo černé díry.
Gravitace temné hmoty, stejně jako normální hmoty, by měla způsobit ohyb světla procházejícího poblíž, v jevu zvaném gravitační čočka. Velkolepým příkladem toho je kupa Bullet Cluster, kde srážka dvou kup galaxií vedla k oddělení temné hmoty od normální hmoty a astronomové mohli rozeznat halo temné hmoty kolem galaxií podle toho, jak ohýbaly dráhu světla.
Model LCDM
Pokud zjištění obstojí při zkoumání a ukáže se, že částice temné hmoty byla skutečně nalezena, široce přijímaný model vesmíru Lambda-studená temná hmota by nemusel být upravován. Je to proto, jak řekl profesor Khatri: „Nová částice, která by vytvořila temnou hmotu, je ve skutečnosti zahrnuta v modelu LCDM.“
Místo toho „to, co neznáme, je přesná povaha temné hmoty“.
A „pokud je temná hmota WIMP 500 GeV, jak se tvrdí, dalo by se očekávat, že bude mít jen velmi malé interakce s jinými částicemi temné hmoty nebo s běžnou hmotou,“ řekl prof. Slatyer. „Takže by bylo bezpečné s tím zacházet jako s pouze gravitačními interakcemi a mnoho předpovědí LCDM by mohlo zůstat téměř nezměněno.“
Jedna věc, kterou lze s jistotou říci, je, že tento velkolepý kosmický příběh je ve vzrušující fázi, kdy astronomové rozplétají strukturu vesmíru, aby se pokusili pochopit jeho vývoj a povahu.
Prakash Chandra je vědecký spisovatel.
Publikováno – 18. prosince 2025 05:30 IST
