Co je černá hmota? teorie temné hmoty

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-12 05:08

Co bylo dříve: vejce nebo kuře? S touto jednoduchou otázkou se po desetiletí potýkají vědci na celém světě. Podobná otázka vyvstává, co bylo na samém počátku, v okamžiku stvoření Vesmíru. Ale bylo to toto stvoření, nebo jsou vesmíry cyklické či nekonečné? Co je černá hmota ve vesmíru a jak se liší od bílé hmoty? Ponechme stranou různé druhy náboženství a pokusme se přiblížit odpovědi na tyto otázky z vědeckého hlediska. Během posledních let se vědcům podařilo něco nemyslitelného. Zřejmě poprvé v historii se výpočty teoretických fyziků shodovaly s výpočty experimentálních fyziků. V průběhu let bylo vědecké komunitě předloženo několik různých teorií. Více či méně přesně, empirickými způsoby, někdy kvazivědecky, však byla teoretická vypočítaná data přesto potvrzena experimenty, některé dokonce se zpožděním více než tucet let (například Higgsův boson).

Temná hmota – černá energie

Takových teorií je mnoho, například: teorie strun, teorie velkého třesku, teorie cyklického vesmíru, teorie paralelního vesmíru, modifikovaná newtonovská dynamika (MOND), F. Hoyle a další. V současnosti je však za obecně uznávanou považována teorie neustále se rozšiřujícího a vyvíjejícího se Vesmíru, jejíž teze dobře zapadají do rámce konceptu velkého třesku. Zároveň byla kvaziempiricky (tedy empiricky, ale s velkými tolerancemi a na základě existujících moderních teorií struktury mikrokosmu) získána data, že všechny nám známé mikročástice tvoří pouze 4,02 % z celkového objemu celé složení Vesmíru. Jedná se o tzv. „baryonový koktejl“, neboli baryonovou hmotu. Převážnou část našeho Vesmíru (více než 95 %) však tvoří látky jiného plánu, jiného složení a vlastností. Jedná se o tzv. černou hmotu a černou energii. Chovají se odlišně: reagují odlišně na různé druhy reakcí, nejsou fixovány existujícími technickými prostředky a vykazují dříve neprozkoumané vlastnosti. Z toho můžeme usoudit, že buď se tyto látky řídí jinými fyzikálními zákony (nenewtonská fyzika, slovní obdoba neeuklidovské geometrie), nebo je naše úroveň rozvoje vědy a techniky teprve v počáteční fázi svého formování.

Co jsou baryony?

Podle současného kvark-gluonového modelu silných interakcí existuje pouze šestnáct elementárních částic (a nedávný objev Higgsova bosonu to potvrzuje): šest typů (příchutí) kvarků, osm gluonů a dva bosony. Baryony jsou těžké elementární částice se silnou interakcí. Nejznámější z nich jsou kvarky, proton a neutron. Rodiny takových látek, lišících se vrotace, hmotnosti, jejich „barva“, stejně jako počty „očarování“, „podivnosti“, jsou přesně stavebními kameny toho, čemu říkáme baryonová hmota. Černá (tmavá) hmota, která tvoří 21,8 % celkového složení Vesmíru, se skládá z dalších částic, které nevyzařují elektromagnetické záření a nijak s ním nereagují. Minimálně pro přímé pozorování a ještě více pro registraci takových látek je proto nutné nejprve porozumět jejich fyzice a dohodnout se na zákonech, kterým se řídí. Mnoho moderních vědců to v současné době dělá ve výzkumných ústavech po celém světě.

Nejpravděpodobnější možnost

Jaké látky jsou považovány za možné? Pro začátek je třeba poznamenat, že existují pouze dvě možnosti. Podle GR a SRT (obecná a speciální teorie relativity) může být tato látka z hlediska složení jak baryonová, tak i nebaryonová temná hmota (černá). Podle hlavní teorie velkého třesku je jakákoli existující hmota reprezentována ve formě baryonů. Tato teze byla prokázána s extrémně vysokou přesností. V současnosti se vědci naučili zachycovat částice vzniklé minutu po výbuchu singularity, tedy po explozi superhustého stavu hmoty, s tělesnou hmotností tíhnoucí k nekonečnu a tělesnými rozměry k nule. Scénář s baryonovými částicemi je nejpravděpodobnější, protože právě z nich se náš vesmír skládá a skrze ně pokračuje v expanzi. černá hmota,podle tohoto předpokladu se skládá ze základních částic obecně uznávaných newtonovskou fyzikou, ale z nějakého důvodu slabě interagujících elektromagnetickým způsobem. To je důvod, proč je detektory nedetekují.

Nejde to tak hladce

Tento scénář vyhovuje mnoha vědcům, ale stále existuje více otázek než odpovědí. Pokud je černá i bílá hmota reprezentována pouze baryony, pak by měla být koncentrace lehkých baryonů jako procento těžkých v důsledku primární nukleosyntézy v počátečních astronomických objektech vesmíru odlišná. A experimentálně nebyla v naší galaxii odhalena přítomnost dostatečného počtu velkých gravitačních objektů, jako jsou černé díry nebo neutronové hvězdy, aby vyvážila hmotnost halo naší Mléčné dráhy. Stejné neutronové hvězdy, tmavá galaktická hala, černé díry, bílí, černí a hnědí trpaslíci (hvězdy v různých fázích svého životního cyklu) jsou však s největší pravděpodobností součástí temné hmoty, ze které se temná hmota skládá. Černá energie může také doplňovat jejich náplň, včetně předpokládaných hypotetických objektů, jako jsou preonové, kvarkové a Q hvězdy.

Nebaryoničtí kandidáti

Druhý scénář předpokládá nebaryonický původ. Zde může jako kandidáti působit několik typů částic. Například světelná neutrina, jejichž existenci už vědci dokázali. Jejich hmotnost však řádově jedna setina ku jednédesetitisícina eV (elektron-Volt), je prakticky vylučuje z možných částic kvůli nedosažitelnosti potřebné kritické hustoty. Ale těžká neutrina, spárovaná s těžkými leptony, se za normálních podmínek prakticky neprojevují slabými interakcemi. Taková neutrina se nazývají sterilní a se svou maximální hmotností až desetina eV jsou pravděpodobnějšími kandidáty na částice temné hmoty. Axiony a kosmiony byly uměle zavedeny do fyzikálních rovnic pro řešení problémů v kvantové chromodynamice a ve standardním modelu. Spolu s další stabilní supersymetrickou částicí (SUSY-LSP) se mohou dobře kvalifikovat jako kandidáti, protože se neúčastní elektromagnetických a silných interakcí. Na rozdíl od neutrin jsou však stále hypotetické, jejich existenci je třeba ještě prokázat.

Teorie černé hmoty

Nedostatek hmoty ve vesmíru dává vzniknout různým teoriím o tomto skóre, z nichž některé jsou zcela konzistentní. Například teorie, že obyčejná gravitace není schopna vysvětlit podivnou a přehnaně rychlou rotaci hvězd ve spirálních galaxiích. V takových rychlostech by z toho prostě vyletěli, nebýt jakési přídržné síly, kterou zatím není možné zaregistrovat. Další teze teorií vysvětlují nemožnost získat WIMP (masivní elektroslabě interagující částice-partnery elementárních subčástic, supersymetrických a supertěžkých - tedy ideálních kandidátů) v pozemských podmínkách, jelikož žijí v n-dimenzi, která je odlišná od našich tří- rozměrový. Podle Kaluza-Kleinovy teorie nemáme taková měření k dispozici.

Changing Stars

Další teorie popisuje, jak se proměnné hvězdy a černá hmota vzájemně ovlivňují. Jasnost takové hvězdy se může změnit nejen v důsledku metafyzických procesů probíhajících uvnitř (pulsace, chromosférická aktivita, vyvržení protuberance, přelévání a zatmění v binárních hvězdných systémech, výbuch supernovy), ale také kvůli anomálním vlastnostem temné hmoty.

WARP drive

Podle jedné teorie může být temná hmota použita jako palivo pro podprostorové motory kosmických lodí pracujících na hypotetické technologii WARP (WARP Engine). Potenciálně takové motory umožňují lodi pohybovat se rychlostí přesahující rychlost světla. Teoreticky jsou schopni ohýbat prostor před a za lodí a pohybovat ji v něm ještě rychleji, než urychluje elektromagnetická vlna ve vakuu. Loď samotná lokálně nezrychluje - pouze prostorové pole před ní je ohnuté. Mnoho fantasy příběhů používá tuto technologii, jako je sága Star Trek.

Růst v pozemských podmínkách

Pokusy o vytvoření a získání černé hmoty na Zemi dosud nebyly úspěšné. V současné době probíhají experimenty na LHC (Large Andron Collider), přesně tam, kde byl Higgsův boson poprvé zaznamenán, a také na dalších, méně výkonných, včetně lineárních urychlovačů při hledánístabilní, ale elektromagneticky slabě interagující partneři elementárních částic. Dosud však nebyly získány ani photino, ani gravitino, ani higsino, ani sneutrino (neutralino), ani jiné WIMP. Podle předběžného opatrného odhadu vědců je k získání jednoho miligramu temné hmoty v pozemských podmínkách zapotřebí ekvivalent energie spotřebované ve Spojených státech během roku.