Tmavá hmota je jednou z najväčších záhad dnešnej fyziky

O čo ide? Vesmír nie je pevný ako skala, je dynamický. Ako sme za posledné desaťročia zistili, rozpína sa – a to dokonca stále rýchlejšie. Zároveň je plný hmoty (galaxií, medzigalaktického plynu, …) a žiarenia, ktoré sa navzájom ovplyvňujú.

Keď pozorne sledujeme rozpínanie vesmíru a správanie objektov v ňom, dokážeme určiť jeho zloženie. Keď však výsledky porovnáme s tým, čo vidíme priamo, vôbec nesedia!

Cez ďalekohľady vidíme supernovy, planéty, mesiace, horúci plyn, asteroidy, hviezdy a čoskoro snáď aj čierny diery. Keď si však všimneme, že ako sa hýbu a správajú, tak sa javí, že je tam ‘toho’ ešte oveľa viac.

Aktuálne merania hovoria, že bežná hmota tvorí len zhruba 5% vesmíru, z toho väčšinu tvorí medzigalatkický plyn – hviezdy a planéty sú vo vesmíre drvivá menšina! Asi 25% tvorí tzv. tmavá hmota a zbytok tmavá energia, ktorú si necháme na inokedy.

Čo vieme o tmavej hmote? Gravitačne sa správa ako bežná hmota – napríklad ohýba lúče svetla alebo drží galaxie pokope, napríklad aj tú našu. Tmavá hmota by tak mala byť aj všelikde okolo nás, no vyzerá byť neviditeľná a je možné, že s bežnou hmotou ináč ako gravitačne komunikovať nedokáže.

Jednoduché vysvetlenia, ako napríklad, že tmavá hmota je len niečo ako prach či drobné kamienky sa podarilo vylúčiť. Podobne nepravdepodobní kandidáti sú aj tzv. MACHO-via (masívny astrofyzikálny kompaktný objekt), čiže napríklad malé (a takmer úplne temné) neutrónové hviezdy – na tmavú hmotu ich však nie je dosť veľa.

Otvára sa tak priestor na odvážnejšie hypotézy.

Veľa teórií hovorí, že by mohlo ísť o nový druh fyzikálnej častice, tu existuje hneď niekoľko zaujímavých možností.

Populárnou je napríklad WIMP (slabo interagujúca masívna častica). Dobre poznáme neutrína, ktoré sú takmer nehmotné a s bežnou hmotou “komunikujú” len cez slabú interakciu – a tak ich prakticky nevnímame. Cez telo vám ich preletia (zo Slnka) miliardy, za život sa v ňom zachytí zhruba jedno. Tmavú hmotu možno tvoria niečo ako ťažké neutrína, ktoré bežnú hmotu úplne míňajú, no gravitačne zakrivujú časopriestor.

Daľšími možnosťami sú napríklad axióny, Kaluza-Kleinove častice (ak má vesmír viac než 3 priestorové rozmery), či LSP (ľahké supersymetrické častice), napríklad gravitína. Nájsť časticu, ktorá by mohla tvoriť tmavú hmotu je jedným z najzaujímavejších cieľov časticových urýchľovačov.

Nie nutne však treba vymýšľať nové častice. Jeden môj odborný článok skúmal možnosť, že tmavú hmotu tvoria mikroskopické čierne diery (ktoré sú stabilné za predpokladu, že má priestor na fundamentálnej úrovni kvantovú štruktúru).

Dôvod, prečo vlastne tento príspevok píšem je, že existujú aj úplne iné vysvetlenia, ktoré spadajú pod hlavičku “modifikovaná gravitácia”. Čo ak tmavá hmota neexistuje – a len sa nám javí, lebo v skutočnosti funguje gravitácia ináč, než nás naučil Einstein?

Možno existuje k jeho teórií oprava, ktorá vo výsledku spôsobuje efekty, ktoré pripisujeme tmavej hmote? Hypotéza je to rozumná a venuje sa jej mnoho ľudí. No a nedávno musela ísť značná časť týchto teórii do koša. Spoločnou vlastnosťou skartovaných teórií bolo, že gravitačné vlny sa šíria trochu inou rýchlosťou, než svetlo (v Einsteinovej teórii idú rovnako rýchlo).

Pred vyše mesiacom sa podarilo zachytiť naraz záblesk aj gravitačné vlny zo zrážky dvoch neutrónových hviezd, pričom teórie modifikovanej gravitácie predpovedali časový rozdiel rádovo roku – a tak sú vylúčené.

Znamená to, že Einsteinova teória platí tak ako ju poznáme a tmavá hmota musí byť nejaké čudo-judo? Nie, vyškrtla sa len časť hypotéz bez tmavej hmoty, nie všetky. Vo všeobecnosti sa verí, že Einsteinova teória je len súčasťou väčšieho celku, ktorý pre nedostatok fantázie voláme Teória všetkého (na ktorú zatiaľ máme niekoľko nie úplne presvedčivých kandidátov ako napríklad M-teória).

Zakončím to jednou provokatívnou myšlienkou. Vieme, že hmota okolo nás sa skladá z kvarkov, elektrónov a neutrín (a ich tažších generácií), interakciu medzi nimi sprostredkúvajú tzv. bozóny (fotóny, gluóny, W,Z bozóny, plus trochu bokom Higgsov bozón).

Bozóny sprostredkúvajú interakcie, no nie všetko komunikuje so všetkým. Napríklad fotóny skáču medzi kvarkami a elektrónmi, no neutrína ignorujú. Gluóny skáču len medzi kvarkami (a sebou), zbytok im je ukradnutý. Neutrína interagujú so zbytkom hmoty len cez ťažké W,Z bozóny. Ak by však neexistovali, vôbec by sme o neutrínach nevedeli!

Je teda možné, že existuje celá zoologická záhrada častíc, ktoré interagujú medzi sebou navzájom, no neexistuje častica, ktorá by sprostredkovala interakciu medzi ‘nimi’ a ‘nami’ – volá sa to skrytý sektor časticovej fyziky.

Je teda možné, že v našom vesmíre (v zmysle všetok priestor okolo nás) existujé okrem nášho vesmíru (v zmysle hmota a žiarenie, ktorú vidíme) aj vesmír celkom iný. Pravdepodobne ho však nemá rovnaké zloženie ako ten náš (ani na úrovni častíc a teda ani na úrovni makroskopických či astronomických objektov) – to by sme si asi už všimli. Možno je plný len jedného typu častíc (napríklad tmavý higgsov bozón), ktorý vnímame len cez gravitáciu, priamo sa nedá.

Áno, je to len hypotéza, ktorá je prakticky neoveriteľná (vytvoriť interakčné častice medzi ‘nami’ a ‘nimi’ môže vyžadovať nepredstaviteľne veľa energie), no aj takouto možnosťou sa zopár ľudí zaoberá.

Je možné, že riešenie hádanky o tmavej hmote máme na dosah, že ide o zaujímavú, no stále pomerne bežnú časticu a podarí sa ju objaviť v priebehu niekoľkých rokov. No je aj možné, že správne je jedno z tých (teraz) kontroverznejších vysvetlení a počkáme si ešte dlhé desaťročia (ak teda vôbec).

Netreba však vešať hlavu, nedávne experimenty s gravitačnými vlnami dokázali, že dokážeme overovať (a vylučovať) aj tie zložitejšie hypotézy a tak sa na nás možno usmeje štastie.

[Samuel]