Pri pohľade do vesmíru toho vidíme ozaj veľmi veľa. Aspoň tak sa zdá. Voľným okom vidíme planéty, hviezdy aj najbližšie galaxie. Vďaka ďalekohľadom sa ich počet významne rozširuje, a keď budeme sledovať žiarenie mimo viditeľného spektra – rádiové, röntgenové alebo mikrovlnné –, objavíme ďalšie zložky vesmíru, napríklad medzihviezdny plyn.
Všetkej tejto hmote budeme hovoriť svietivá hmota, pretože vyžaruje elektromagnetické žiarenie, ktoré môžeme zachytiť a z ktorého sme sa o nej a o fyzike vo všeobecnosti naučili veľmi veľa. A ak nesvieti vlastným svetlom, s elektromagnetickým žiarením interaguje.
Roku 1980 publikovala trojica amerických astronómov Vera Rubinová (1928 – 2016), Kent Ford (1931 – 2023) a Ken Freeman (1940) štúdiu, ktorá významným spôsobom zmenila náš pohľad na oblohu. Išlo o sumár vyše dvadsaťročného študovania rotačných kriviek galaxií. Vedci sledovali rýchlosť obiehania hviezd okolo stredov galaxií v závislosti od toho, ako ďaleko sa nachádzajú. Ide o niečo veľmi podobné, ako keď sa pozeráme na slnečnú sústavu a sledujeme obežné rýchlosti jednotlivých planét. So vzdialenosťou klesajú, pretože klesá gravitačná sila, ktorá je dostredivou silou pri pohybe. Podobne by sme očakávali, že bude klesať obežná rýchlosť hviezd v galaxiách. Výskum však ukázal, že sa to v podstate nedeje vo všetkých galaxiách. Rotačné krivky sú pre väčšie vzdialenosti ploché a hviezdy v nich obiehajú oveľa rýchlejšie, ako by sme z rozloženia svietivej hmoty očakávali. Pri svojej rýchlosti by hviezdy v galaxiách mali uletieť, pretože gravitačná sila je v takej vzdialenosti príliš malá. Napriek tomu držia pohromade. Podobné výsledky dostali neskôr ďalší vedci, keď sledovali medzihviezdny plyn v galaxiách. Ten síce nevyžaruje viditeľné svetlo, ale vyžaruje svetlo v mikrovlnnej časti spektra a jeho pohyb sa tiež nedá vysvetliť iba z pozorovanej hmoty.
O niečom podobnom sa získali čiastkové informácie už dávnejšie. Prvé priniesol dokonca už roku 1884 britský fyzik William Thomson, lord Kelvin (1824 – 1907). Niektoré z týchto skorších pozorovaní sa nakoniec vysvetlili inak, ale v osemdesiatych rokoch sa podarilo nazbierať ďalšie nezávislé dôkazy, že vo vesmíre nie je všetko podľa našich predstáv. Jedným bolo pozorovanie kôp galaxií. Kopa galaxií je presne to, čo by sme podľa názvu očakávali. Niekoľko galaxií, ktoré sú relatívne blízko pri sebe. Vzájomná gravitácia ich drží pohromade a vesmírom sa pohybujú ako celok. V ich okolí často dochádza k efektu gravitačnej šošovky: dráha svetla sa v okolí väčšej koncentrácie hmoty zmení natoľko, že sa výrazne zdeformuje obraz objektov, z ktorých svetlo pochádza. Pre mnohé kopy galaxií však bol efekt oveľa výraznejší, ako by sme iba z hmotnosti viditeľnej hmoty v galaxiách očakávali.
Ďalším dôkazom bola naša predstava o vývoji vesmíru po veľkom tresku, konkrétne – akým spôsobom v ňom vznikala dnešná štruktúra hmoty. Ako sa z počiatočného homogénneho vyplnenia mohol vesmír dopracovať k hmote sústredenej vo hviezdach a galaxiách s veľkými kusmi prázdneho priestoru medzi nimi? Hypotéza bola taká, že pre kvantové fluktuácie nebolo vyplnenie na začiatku úplne homogénne a z hustejších miest sa pod vplyvom vlastnej gravitácie stávali útvary ako galaxie a hviezdy. Ale raný vesmír sa rozpínal veľmi rýchlo, a keby bol vyplnený iba tým, čo pozorujeme ďalekohľadmi, galaxie by nemali čas vytvoriť sa. Hustejšie miesta by sa zriedili rozpínaním sa a vesmír by bol vyplnený riedkou rovnomernou hmotou. Tento proces sa dnes dá veľmi dobre študovať na počítači. Numerická analýza rovníc je veľmi silný a často používaný nástroj nielen v kozmológii. Na začiatku zvolíme priestor a rozloženie hmoty v ňom a potom necháme počítač robiť to, čo vie najlepšie: počítať, riešiť dynamiku takéhoto systému danú Einsteinovými rovnicami. Výpočet je to náročný, treba na to obrovské špecializované zariadenia, ale výsledkom je časový vývoj rozloženia hmoty v priestore. Je to dôležité preto, že v kozmológii sa nedajú robiť experimenty, nemáme k dispozícii testovacie vesmíry, kde by sme skúšali, ako sa menia vlastnosti zmenou niektorého z parametrov modelu. A tak nám počítače dávajú šancu niečo vyskúšať aspoň takto. Výsledok je taký, že nech skúšame, ako chceme, pozorované rozdelenie hmoty vo vesmíre nedostaneme. Hmota je jednoducho príliš riedka a nedokáže sa svojou vlastnou gravitačnou príťažlivosťou dostať z počiatočného stavu do stavu, ktorý dnes pozorujeme.
Knihu vydalo Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o., pre Centrum vedecko-technických informácií SR v roku 2021. Jej elektronická verzia je dostupná na vedanadosah.cvtisr.sk/publikacie/fyzika-v-slepych-ulickach/.
Súťažná otázka
Ak nám do 31. júla 2026 pošlete správnu odpoveď na otázku:
Ako sa volá observatórium uvedené do prevádzky v roku 2025, ktoré má pomôcť odhaliť podstatu tmavej hmoty a tmavej energie?
zaradíme vás do žrebovania o knihu Juraja Tekela: Fyzika v slepých uličkách, ktorú pre Centrum vedecko-technických informácií SR vydalo Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o.
Svoje odpovede posielajte na adresu redakcie: odpovednik@quark.sk alebo Quark, Lamačská cesta 8A, 811 04 Bratislava.
