Budu první, kdo připustí, že nerozumíme temné hmotě. S jistotou víme, že se ve vesmíru ve velkém měřítku děje něco zábavného ('velký' zde znamená přinejmenším tak velký jako galaxie). Stručně řečeno, čísla se prostě nesčítají. Když se například podíváme na galaxii a spočítáme všechny horké žhavé kousky, jako jsou hvězdy, plyn a prach, dostaneme určitou hmotnost. Když k měření hmotnosti vůbec použijeme jakoukoli jinou techniku, dostaneme mnohem vyšší číslo. Přirozeným závěrem tedy je, že ne všechna hmota ve vesmíru je celá horká a zářící. Možná někteří, pokud je, víte, tma.
Ale vydrž. Nejprve bychom měli zkontrolovat naši matematiku. Jsme si jisti, že se nepleteme jen ve fyzice?
Podrobnosti temné hmoty
Zásadní kousek skládačky temné hmoty (i když rozhodně ne jediný, a to bude důležité později v článku) přichází v podobě tzv. rotační křivky galaxie . Jak sledujeme hvězdy rotující kolem středu svých galaxií, měly by se ty, které jsou dále od středu, pohybovat pomaleji než ty blíže středu. Je to proto, že většina galaktické hmoty je natěsnána v jádru a nejvzdálenější hvězdy jsou od všech těch věcí daleko a díky prosté newtonovské gravitaci by měly sledovat pomalé líné oběžné dráhy.
Ale nedělají.
Místo toho nejvzdálenější hvězdy obíhají stejně rychle jako jejich bratranci z centra města.
Jelikož se jedná o hru gravitace, existují pouze dvě možnosti. Buď se mýlíme gravitací, nebo je tu další neviditelná věc, která nasává každou galaxii. A pokud můžeme říci, gravitaci dostáváme velmi, velmi správně ( to je jiný článek ), tak bum: temná hmota . Něco drží tyto volně se pohybující hvězdy uvězněné v jejich galaxiích, jinak by se před miliony let vymrštily jako neovladatelný kolotoč; ergo, existuje celá řada věcí, které nemůžeme přímo vidět, ale můžeme je nepřímo detekovat.
Ztěžkl si
Ale co když to není jen hra gravitace? Koneckonců existují čtyři základní přírodní síly: silná jaderná, slabá jaderná, gravitace a elektromagnetismus. Může si někdo z nich zahrát v této skvělé galaktické hře?
Silné nukleární funguje pouze v malinkých subatomárních měřítcích, takže je to správné. A nikoho nezajímá slabá jaderná energie, kromě určitých vzácných rozpadů a interakcí, takže to můžeme také odložit. A elektromagnetismus...no, záření a magnetická pole očividně hrají roli v galaktickém životě, ale záření se vždy tlačí ven (takže zjevně nepomůže udržet rychle se pohybující hvězdy na uzdě) a galaktická magnetická pole jsou neuvěřitelně slabé (ne silnější než miliontina vlastního magnetického pole Země). Takže… ne, ne?
Jako u všeho ve fyzice existuje záludná cesta ven. Pokud můžeme říci, foton – nositel samotné elektromagnetické síly – je zcela bez hmoty. Ale pozorování jsou pozorování a nic ve vědě není známo s jistotou a podle současných odhadů není hmotnost fotonu větší než 2 x 10-24hmotnost elektronu. Pro všechny záměry a účely je to v podstatě nula pro téměř cokoliv, co někoho zajímá. Ale pokud fotondělámít hmotnost, dokonce i pod touto hranicí, dokáže s vesmírem udělat docela legrační věci.
S přítomností hmoty ve fotonu získávají Maxwellovy rovnice, způsob, jakým chápeme elektřinu, magnetismus a záření, upravenou podobu. V matematice se objevují další termíny a vznikají nové interakce.
Cítíš to?
Nové interakce jsou vhodně komplikované a závisí na konkrétním scénáři. V případě galaxií začnou jejich slabá magnetická pole cítit něco zvláštního. Kvůli zamotané a zkroucené povaze magnetických polí modifikuje přítomnost masivních fotonů Maxwellovy rovnice vprostěsprávný způsob, jak přidat novou přitažlivou sílu, která může být v některých případech silnější než samotná gravitace.
Jinými slovy, nová elektromagnetická síla by mohla být schopna udržet rychle se pohybující hvězdy připoutané, a tak úplně odstranit potřebu temné hmoty.
Rotační křivka typické spirální galaxie M 33 (žluté a modré body s chybovými úsečkami) a předpovězená z rozložení viditelné hmoty (bílá čára). Nesoulad mezi těmito dvěma křivkami je způsoben přidáním halo temné hmoty obklopující galaxii. Kredit: Public domain / Wikipedia
Ale není to snadné. Magnetická pole se prolínají celým mezihvězdným plynem galaxie, nikoli hvězdami samotnými. Takže tato síla nemůže přitahovat hvězdy přímo. Místo toho musí síla dát najevo svůj tah plynu a nějak ten plyn musí dát hvězdám vědět, že ve městě je nový šerif.
V případě masivních hvězd s krátkou životností je to docela jednoduché. Samotný plyn šlehává kolem galaktického jádra nejvyšší rychlostí, tvoří hvězdu, hvězda žije, hvězda umírá a zbytky se vracejí do plynu dostatečně rychle, aby pro všechny záměry a účely tyto hvězdy napodobovaly pohyb plynu, čímž nám rotační křivky, které potřebujeme.
Velké potíže v malých hvězdách
Ale malé, dlouhověké hvězdy jsou jiné zvíře. Oddělují se od plynu, který je vytvořil, a žijí svým vlastním životem, mnohokrát obíhají kolem galaktického středu, než vyprší. A protože necítí zvláštní novou elektromagnetickou sílu, měli by se od svých galaxií úplně vzdálit, protože je nic nedrží pod kontrolou.
Pokud by byl tento scénář přesný a masivní fotony by mohly nahradit temnou hmotu, naše vlastní slunce by nemělo být tam, kde je dnes.
A co víc, máme velmi dobrý důvod věřit, že fotony jsou skutečně bezhmotné. Jistě, Maxwellovy rovnice to nemusí moc zajímat, ale speciální teorie relativity a kvantová teorie pole ano. Začnete si hrát s fotonovou hmotou a máte co vysvětlovat, pane.
Kosmické mikrovlnné pozadí viděné Planckem. Kredit: ESA
Navíc to, že všichni milují křivky rotace galaxií, neznamená, že jsou naší jedinou cestou k temné hmotě. Pozorování kup galaxií, gravitační čočky, růst struktury ve vesmíru a dokonce i kosmické mikrovlnné pozadí všechny ukazují směrem k nějaké neviditelné složce do našeho vesmíru.
I kdyby měl foton hmotnost a byl nějak schopen vysvětlit pohybyVšechnohvězd v galaxii, nejen těch hmotných, nebylo by to schopno vysvětlit řadu dalších pozorování (například jak by mohla nová elektromagnetická síla vysvětlit gravitační ohyb světla kolem kupy galaxií? Není to řečnická otázka – nemůže). Jinými slovy, dokonce i ve vesmíru plném masivních fotonů bychom stále potřebovali temnou hmotu.
Můžete si přečíst článek v časopise tady .