Temná hmota a ještě temnější energie

/ 17.11.2023 /

Co je temná hmota a temná energie? Tajemné substance prostupující celým vesmírem a mocné tak, že dokáží ovlivňovat i ty úplně největší struktury ve vesmíru... Avšak na začátku přednášky nám Ing. Petr Dvořák, Ph.D. vysvětlil několik fyzikálních pojmů - gravitační zákon, baryonovou hmotu (hmotu složenou z atomů), orbitální a únikovou rychlost, elektromagnetické spektrum, princip záření neutrálního vodíku, Dopplerův jev, gravitační čočkování a některé další, abychom snáze pochopili problematiku této části astrofyziky.

Historie objevu temné látky, neboli temné hmoty, sahá až do roku 1933. Švýcarský astronom Fritz Zwicky tehdy namířil svůj dalekohled na kupu galaxií v souhvězdí Vlasy Bereniky a zjistil vážnou nesrovnalost, že totiž pohyby galaxií v této kupě jsou příliš rychlé a zdaleka neodpovídají množství pozorované svítící látky. Později astronomka Vera Rubinová potvrdila tuto skutečnost studiem rotace Velké galaxie v Andromedě. I zde se hvězdy pohybovaly velmi vysokými rychlostmi a kdyby je nedrželo něco pohromadě, celá galaxie by se rozpadla. To něco se musí nacházet v galaktickém halu a v mezigalaktickém prostoru a Fritz Zwicky to nazval – temná látka. Avšak ani dnes, po devadesáti letech po Zwickyho objevu, se neví, co přesně ji tvoří. Existovalo několik kandidátů, o kterých se dříve uvažovalo, postupně však všechny vypadly ze hry. Například se ukázalo, že galaktické kupy bývají obklopeny mračny horkého mezigalaktického vodíku, hmotnost těchto mračen však na vysvětlení gravitačních účinků nestačí. Naopak, musí zde být něco jiného, co nemá žádné tření a co udrží i takto horký plyn pohromadě. Není to ani nesvítící plyn, protože ho není dost, není to mezihvězdný prach, protože ten by stínil všechny vzdálenější objekty. Nejsou to černé díry, protože jednak se v potřebném množství nepozorují odpovídající zdroje rentgenového záření, nedetekuje se dostatek gravitačních vln, nebo gravitační čočkování. Dost není ani tzv. MACHO objektů, tzn. malých hvězd, planet a dalších kompaktních objektů. Exotickým vysvětlením temné hmoty může být třeba možnost, že Einsteinova obecná teorie relativity není zcela správně, ale za úplně nejpravděpodobnějšího kandidáta jsou dnes považovány hypotetické exotické částice, které se projevují gravitačně a snad i slabou interakcí, podobně jako neutrina. Věří se rovněž, že tyto částice budou v ne zcela vzdálené budoucnosti snad objeveny.

Pokud se temné energie týče, z rovnic Alberta Einsteina vyplývá, že náš vesmír musí být nestabilní a měření Edwina Hubblea prokázala, že se rozpíná. Hubble navíc ukázal, že čím jsou cizí galaxie od nás dál, tím rychleji se vzdalují. Z toho ovšem plyne také skutečnost, že celý vesmír měl kdysi horký a hustý počátek o kterém svědčí existence reliktního záření. Z drobných nerovnoměrností v tomto záření lze potom vyvodit, že ve vesmíru není jen baryonová hmota, kterou důvěrně známe, ale též temná hmota a dokonce i tzv. temná energie, která na rozdíl od temné hmoty s přitažlivými účinky má tendenci vesmír rozfukovat. Temná energie má v podstatě antigravitační účinky. Z fluktuací reliktního záření lze navíc zjistit, jak se poměr baryonové hmoty, temné hmoty a temné energie vyvíjel v čase. S postupným rozpínáním vesmíru nabývá temná energie na významu a vesmír se rozpíná čím dál tím více zrychleně. Tuto skutečnost potvrdila i astronomická pozorování supernov typu IA - tzv. kalibračních svíček, nebo pozorování baryonových akustických oscilací a další experimenty. A co je to vlastně ta temná energie? Zřejmě vlastnost samotného vakua. Její velikost odpovídá tzv. kosmologické konstantě, kterou do svých rovnic zavedl již Albert Einstein. Na úplné rozlousknutí problému temné energie si však zřejmě budeme muset ještě nějakou dobu počkat…

Žijeme ve zvláštním světě. Člověk má na základě zkušeností z každodenního života pocit že ví, jak náš svět vypadá, že jej tvoří především pevná látka, kapalina a plyn. Avšak převážnou část svítící látky tvoří hvězdy a tudíž plasma. Ale ani to není úplná pravda, dnes se ví, že situace je jiná. Z veškeré látky ve vesmíru činí asi 70% temná energie a 30% ostatní látka. Z těch 30% je asi 25% temná hmota a 5% látka z atomů. Z těchto 5% jsou pak 4% nesvítící temná mezihvězdná oblaka a pouze 1% svítí jako hvězdy. A také víme, že hvězdy jsou řádově tisíckrát hmotnější než hmotnost planet a dalších těles obíhajících kolem nich, tedy pevná látka, kapaliny a plyn… Z tohoto hlediska žijeme na naprosto výjimečném místě, obklopeni naprosto exotickou hmotou a z čeho je ve skutečnosti tvořen náš vesmír máme jen velmi mlhavou představu. Je to jedna z největších astronomických hádanek pro 21. století.

O přednášku byl mimořádný zájem a počet rezervací značně překročil nominální počet sedadel v sále planetária.

Zájem byl nakonec tak veliký, že i přilehlé prostory za oběma přístupovými dveřmi se proměnily v improvizované lóže pro návštěvníky. Během dvou hodin pak Petr Dvořák bravurně shrnul velikou část astrofyziky a ukázal, jak je to úplně největší spojeno s tím úplně nejmenším...

Na hvězdárně ve Ždánicích nám Ing. Petr Dvořák, Ph.D. demonstroval na velkoškálové struktuře vesmíru rozložení temné hmoty v prostoru. Bez ní bychom zřejmě ani sami nemohli neexistovat, protože by se nevytvořily galaxie a hvězdy.

Na nadcházející prodloužený víkend po přednášce se na ždánickou hvězdárnu sjeli členové Jihlavské astronomické společnosti. Během tohoto víkendu také odstartovala z kosmodromu společnosti SpaceX největší, nejtěžší a nejsilnější raketa všech dob - SuperHeavy B9 s kosmickou lodí Starship 25. Tuto událost jsme společně sledovali v přímém přenosu v planetáriu. Ve Ždánicích si děti také postavili rakety na tuhé palivo a vypustily je z improvizovaného kosmodromu za hvězdárnou. Podobně jako Starship sice oběžné dráhy nedosáhly, ale podívaná to byla také náramná.

Hlavní náplní tohoto astronomického tábora pro děti bylo pozorování a zejména fotografování nebeských objektů dlouho do noci, druhý den dopolední vyspávání a potom zpracování získaných dat. Všichni pozorovatelé velmi ocenili skutečnost, že kolem hvězdárny lze vypnout pouliční osvětlení.

I když počasí astronomickým pozorováním přálo jen částečně, povedlo se získat pěkné výsledky. Například tuto Velkou mlhovinu v Orionu M42 vyfotografoval z prostranství před hvězdárnou Kryštof Macek.

Astronomické fotografie se pořizovaly nejen v noci, ale i ve dne. Toto je historicky první fotografie Slunce v čáře vápníku pořízená dalekohledem v západní kopuli ždánické hvězdárny. Fotografii pořídil Mirek Dočekal.