To co ve vesmíru můžeme vidět, není kompletní obsah vesmíru, ale jen jeho zlomek. Zhruba 1% je hmota, která svítí. Ta dohromady s veškerou zbylou atomární hmotou (baryonickou) tvoří jen zhruba 4% veškeré hmoty vesmíru. Zbytek nám tedy musí být ukryt. Hledáme tak něco jako „temnou hmotu", která není vidět a jejíž „materiál" nereaguje s naší atomární hmotou. O tom, že taková hmota musí existovat se přesvědčujeme již od třicátých let. Hvězdy na okrajích galaxií se totiž pohybují příliš rychle, než by se dalo z keplerových zákonů usuzovat. Jejich rychlost je tak velká, že pokud by byla v daných galaxiích jen naše atomární hmota, musely by být odstředivou silou dávno z galaxie vystřeleny. Galaxie tak musí být hmotnější aby gravitačně tyto okrajové části svých ramen udržely.
Nejčastějšími kandidáty na temnou hmotu jsou různé exotické částice. Například neutrina anebo axiony. Nedávno byl dokonce objeven kandidát na celou galaxii temné hmoty. Oblak neznámé hmoty označením HVC 127-41-330 se promítá mezi galaxie M31 a M33 a přibližuje se k nám neuvěřitelnou rychlostí 330 km/s. Dnes již víme, že tento oblak temné hmoty obsahuje také neutrální vodík (20% celkové hmoty). Předpokládá se pak, že samotný, 20 tisíc světelných let veliký objekt, je nevyvinutou trpasličí galaxií, ve které nevznikla žádná hvězda.
I když podle současných předpokladů tvoří tato neznámá temná hmota až polovinu hmoty galaxií, stále s ní nevyplníme veškerou hmotu vesmíru. I se započtením temné hmoty nám bude scházet neuvěřitelných 75% hmoty vesmíru!
Problém chybějící hmoty
Sečtením zářivé atomární hmoty a temné hmoty získáme jen 25% celkové potřebné hmoty vesmíru. Stále nám tak chybí 75% nějakého materiálu. Zbytek se tedy někde poděl. V roce 1998 nás pečlivá pozorování supernov posunula k dnešnímu pravděpodobně nejlepšímu vysvětlení?
Informace o vesmíru jako celku totiž můžeme vyčíst třeba z měření mikrovlnného kosmického pozadí, které je zde všude okolo nás jako pozůstatek z doby zhruba 400.000 let po velkém třesku. Z posledních dat sondy WMAP vyplývá, že vesmír je velmi blízko kritické hustotě, která určuje jeho křivost. Náš vesmír je tedy geometricky řečeno plochý. Jenže pokud tuto informaci porovnáme s pozorováním vzdálených supernov, získáme paradox. Plochý vesmír by se neměl v expanzi urychlovat. Jenže podle supernov se urychluje.
Pojem hmoty, energie a křivosti prostoročasu je v obecné relativitě velmi úzce spojen. A tak by možným vysvětlením mohlo být, že mezera mezi kritickou hustotou vesmíru a dnešní hustotou hmoty ve vesmíru je vyplněna nějakou neznámou formou energie, která se projevuje jen na obrovských kosmologických vzdálenostech. To proto, že jsme její vliv dosud nebyli schopni detekovat ve vzdálenostech menších - právě s ohledem na to, jak dobře gravitační a geometrické vlivy na blízkých vzdálenostech známe. Její vliv by byl na okolí repulzívní a měla by tak za následek jakýsi „antigravitační" efekt.
Negativní tlak
Největší záhadou se najednou ale nestává skutečnost, že 70% vesmíru je vyplněn něčím co nemůžeme vidět, ale tím, že zde předpovídáme substanci s gravitačně repulzivními vlastnostmi. Jenže ono se zdá, že s gravitací naše temná energie nemá co do činění.
Vše totiž nasvědčuje tomu, že urychlení expanze vesmíru neprobíhá v důsledku gravitační interakce, tedy v rámci jakéhosi gravitačního odpuzování. Jde zcela jistě o zcela nové silové pole. Pole, které prostupuje celý vesmír a vyznačuje se negativním tlakem. Ten právě způsobí efekt, který se tak podobá gravitačnímu odpuzování. Rozpínání vesmíru se zrychluje a přitom si zachovává geometrickou plochost.
Je na vině vakuum?
V kvantové teorii není vakuum prázdný a tedy triviální systém jak si možná představujeme. Pro toto odvětví fyziky neexistuje prázdný prostor bez ničeho. Vakuum, jak se stále častěji přesvědčujeme, je zřejmě dynamický systém, který můžeme přirovnat k vařící polévce. Kdybychom měli hypotetický mikroskop s rozlišením elektronu, mohli bychom pozorovat jak tato polévka pobublává. Jako bubliny bychom si však museli představit vznikající a zanikající virtuální páry částic a antičástic. Vyplývá tak z toho, že vakuum není prázdnota, ale je podrobeno kvantově-mechanickým jevům. A důsledkem pak je, že nemá klidovou energii nulovou. Vakuum je doslova energií nabito. Jevy, které potvrzují takové chování vakua byly již pozorovány a s určitou jistotou můžeme říci, že naše představy jsou správné.
Kosmologická konstanta nebo pátý element?
Horkým kandidátem na naši temnou energii by mohlo být právě vakuum. Ve vesmíru by působilo jako síla urychlující rozpínání vesmíru díky svému negativnímu tlaku. Mohli bychom uvažovat dvě formy tohoto silového působení. Buďto jako statickou veličinu (konstantu). Jako jakousi daň za to, že máme prostor. Druhá možnost je složitější a zdá se také jako přirozenější verze nového silového pole. Ve vesmíru známe prozatím 4 základní interakce. Kromě gravitace a elektromagnetizmu to jsou ještě dvě jaderné síly. Nyní by přibyla pátá. Pole, které se projevuje pouze na kosmologických vzdálenostech. Pátá interakce, nebo také pátý element, jak byla nazvána. Z latiny „kvintesence". V takovém případě bychom neměli jakousi statickou neměnnou konstantu, ale pole, jehož vliv na vesmír se může měnit s časem i prostorem.
Ukazuje se, že existují také hlubší souvislosti mezi vlivem repulzivní síly na vesmír - například v období tzv. kosmologické inflace. Pak by byla právě v čase se měnící kosmologická konstanta (projev kvintesence) vhodnou odpovědí na některé otázky inflace i na nynější zrychlené rozpínání.
Budoucnost vesmíru
Podle současných odhadů nastalo zrychlené rozpínání před asi 5 miliardami let. Do té doby byl vesmír kompaktnější než nyní a gravitační přitahování atomické a temné hmoty zabraňovalo a převyšovalo vliv repulze temné energie. S dalším rozpínáním můžeme odhadovat, že zdvojnásobením objemu vesmíru klesne hustota atomické a temné hmoty na polovinu, zatímco hustota temné energie se prakticky nezmění. Expanze bude stále rychlejší.
Jestliže bude zrychlené rozpínání pokračovat do nekonečna, bude výsledkem to, že se za nějaký čas dostanou kupy galaxií a galaxie ležící mimo naši kupu galaxií za hranici kosmologického horizontu. Nebudou již pozorovatelné, protože rychlost jejich vzdalování převýší rychlost světla. Naše nadkupa galaxií Virgo však naštěstí zůstane nedotčena, stejně jako galaxie Mléčná dráha a stejně jako Sluneční soustava. Vše okolo ale upadne za hranici fyzikální dosažitelnosti.
Nejčastějšími kandidáty na temnou hmotu jsou různé exotické částice. Například neutrina anebo axiony. Nedávno byl dokonce objeven kandidát na celou galaxii temné hmoty. Oblak neznámé hmoty označením HVC 127-41-330 se promítá mezi galaxie M31 a M33 a přibližuje se k nám neuvěřitelnou rychlostí 330 km/s. Dnes již víme, že tento oblak temné hmoty obsahuje také neutrální vodík (20% celkové hmoty). Předpokládá se pak, že samotný, 20 tisíc světelných let veliký objekt, je nevyvinutou trpasličí galaxií, ve které nevznikla žádná hvězda.
I když podle současných předpokladů tvoří tato neznámá temná hmota až polovinu hmoty galaxií, stále s ní nevyplníme veškerou hmotu vesmíru. I se započtením temné hmoty nám bude scházet neuvěřitelných 75% hmoty vesmíru!
Problém chybějící hmoty
Sečtením zářivé atomární hmoty a temné hmoty získáme jen 25% celkové potřebné hmoty vesmíru. Stále nám tak chybí 75% nějakého materiálu. Zbytek se tedy někde poděl. V roce 1998 nás pečlivá pozorování supernov posunula k dnešnímu pravděpodobně nejlepšímu vysvětlení?
Informace o vesmíru jako celku totiž můžeme vyčíst třeba z měření mikrovlnného kosmického pozadí, které je zde všude okolo nás jako pozůstatek z doby zhruba 400.000 let po velkém třesku. Z posledních dat sondy WMAP vyplývá, že vesmír je velmi blízko kritické hustotě, která určuje jeho křivost. Náš vesmír je tedy geometricky řečeno plochý. Jenže pokud tuto informaci porovnáme s pozorováním vzdálených supernov, získáme paradox. Plochý vesmír by se neměl v expanzi urychlovat. Jenže podle supernov se urychluje.
Pojem hmoty, energie a křivosti prostoročasu je v obecné relativitě velmi úzce spojen. A tak by možným vysvětlením mohlo být, že mezera mezi kritickou hustotou vesmíru a dnešní hustotou hmoty ve vesmíru je vyplněna nějakou neznámou formou energie, která se projevuje jen na obrovských kosmologických vzdálenostech. To proto, že jsme její vliv dosud nebyli schopni detekovat ve vzdálenostech menších - právě s ohledem na to, jak dobře gravitační a geometrické vlivy na blízkých vzdálenostech známe. Její vliv by byl na okolí repulzívní a měla by tak za následek jakýsi „antigravitační" efekt.
Negativní tlak
Největší záhadou se najednou ale nestává skutečnost, že 70% vesmíru je vyplněn něčím co nemůžeme vidět, ale tím, že zde předpovídáme substanci s gravitačně repulzivními vlastnostmi. Jenže ono se zdá, že s gravitací naše temná energie nemá co do činění.
Vše totiž nasvědčuje tomu, že urychlení expanze vesmíru neprobíhá v důsledku gravitační interakce, tedy v rámci jakéhosi gravitačního odpuzování. Jde zcela jistě o zcela nové silové pole. Pole, které prostupuje celý vesmír a vyznačuje se negativním tlakem. Ten právě způsobí efekt, který se tak podobá gravitačnímu odpuzování. Rozpínání vesmíru se zrychluje a přitom si zachovává geometrickou plochost.
Je na vině vakuum?
V kvantové teorii není vakuum prázdný a tedy triviální systém jak si možná představujeme. Pro toto odvětví fyziky neexistuje prázdný prostor bez ničeho. Vakuum, jak se stále častěji přesvědčujeme, je zřejmě dynamický systém, který můžeme přirovnat k vařící polévce. Kdybychom měli hypotetický mikroskop s rozlišením elektronu, mohli bychom pozorovat jak tato polévka pobublává. Jako bubliny bychom si však museli představit vznikající a zanikající virtuální páry částic a antičástic. Vyplývá tak z toho, že vakuum není prázdnota, ale je podrobeno kvantově-mechanickým jevům. A důsledkem pak je, že nemá klidovou energii nulovou. Vakuum je doslova energií nabito. Jevy, které potvrzují takové chování vakua byly již pozorovány a s určitou jistotou můžeme říci, že naše představy jsou správné.
Kosmologická konstanta nebo pátý element?
Horkým kandidátem na naši temnou energii by mohlo být právě vakuum. Ve vesmíru by působilo jako síla urychlující rozpínání vesmíru díky svému negativnímu tlaku. Mohli bychom uvažovat dvě formy tohoto silového působení. Buďto jako statickou veličinu (konstantu). Jako jakousi daň za to, že máme prostor. Druhá možnost je složitější a zdá se také jako přirozenější verze nového silového pole. Ve vesmíru známe prozatím 4 základní interakce. Kromě gravitace a elektromagnetizmu to jsou ještě dvě jaderné síly. Nyní by přibyla pátá. Pole, které se projevuje pouze na kosmologických vzdálenostech. Pátá interakce, nebo také pátý element, jak byla nazvána. Z latiny „kvintesence". V takovém případě bychom neměli jakousi statickou neměnnou konstantu, ale pole, jehož vliv na vesmír se může měnit s časem i prostorem.
Ukazuje se, že existují také hlubší souvislosti mezi vlivem repulzivní síly na vesmír - například v období tzv. kosmologické inflace. Pak by byla právě v čase se měnící kosmologická konstanta (projev kvintesence) vhodnou odpovědí na některé otázky inflace i na nynější zrychlené rozpínání.
Budoucnost vesmíru
Podle současných odhadů nastalo zrychlené rozpínání před asi 5 miliardami let. Do té doby byl vesmír kompaktnější než nyní a gravitační přitahování atomické a temné hmoty zabraňovalo a převyšovalo vliv repulze temné energie. S dalším rozpínáním můžeme odhadovat, že zdvojnásobením objemu vesmíru klesne hustota atomické a temné hmoty na polovinu, zatímco hustota temné energie se prakticky nezmění. Expanze bude stále rychlejší.
Jestliže bude zrychlené rozpínání pokračovat do nekonečna, bude výsledkem to, že se za nějaký čas dostanou kupy galaxií a galaxie ležící mimo naši kupu galaxií za hranici kosmologického horizontu. Nebudou již pozorovatelné, protože rychlost jejich vzdalování převýší rychlost světla. Naše nadkupa galaxií Virgo však naštěstí zůstane nedotčena, stejně jako galaxie Mléčná dráha a stejně jako Sluneční soustava. Vše okolo ale upadne za hranici fyzikální dosažitelnosti.
Temná hmota ve vesmíru
