Ozvěny temné hmoty?

Jako kosmické záření galaktického původu označujeme proud subatomárních částic urychlených na rychlost blížící se rychlosti světla různými mechanismy, jako jsou například výbuchy supernov. Jeho součástí jsou většinou hlavně protony a jádra těžších atomů. Ty jsou pak doplněny malým množstvím elektronů, fotonů a jiných elementárních částic.

Ke studiu kosmického záření se za posledních 8 let využívala mimo jiné i série stratosférických balónů vypouštěných nad Antarktidou, jejichž užitečný náklad vždy tvořil detektor kosmického záření ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter). Očekávalo se, že bude zaznamenána obvyklá směs částic (protony, ionty), avšak místo toho byl zjištěn nadbytek vysokoenergetických elektronů.

Jeden z vědců podílejících se na výzkumu, John Wefel (Louisiana State University), k tomu našel velice názornou analogii z běžného života: Je to jako když v poklidu jedete po dálnici mezi normálními osobními auty, dodávkami nebo kamiony a kolem vás se najednou mihne skupina Lamborghini. Takováto situace je přitom asi tak stejně očekávaná jako velké množství vysokoenergetických elektronů v kosmickém záření. Během pěti týdnů měření v letech 2000 a 2003 ATIC napočítal celkem 70 nadbytečných elektronů o energiích v rozmezí 300-800 GeV ("nadbytečný" zde znamená "přesahující obvyklý počet, ze který je zodpovědné galaktické pozadí"). 70 elektronů sice nemusí znít jako vysoké číslo, ale stejně jako 70 vozů Lamborghini jedoucích po dálnici je to již celkem významný přebytek.

Důležitá je však skutečnost, že zdroj těchto elektronů musí ležet relativně blízko sluneční soustavy - ne dál než asi 1 kpc. Proč? Elektrony při své cestě po Galaxii přicházejí o významnou část své energie, a to dvěma hlavními způsoby:

1. srážkami s fotony o nižších energiích (tzv. inverzní Comptonův jev)
2. vyzařováním elmag. záření při pohybu po spirálovité trajektorii podél silokřivek galaktického magnetického pole (synchrotronové záření)

Než by však elektron urazil vzdálenost větší, než je právě jeden kiloparsek, ztratil by tolik energie, že by mu jí nikdy nezbylo takové množství, které bylo zaznamenáno u zmíněných "nadbytečných" elektronů, což je důvod, proč jsou jinak tak vzácné. Někteří zúčastnění vědci dokonce věří, že zdroj by měl být vzdálen pouhých několik málo stovek parseků. Pro srovnání: průměr Galaxie činí asi 30 kiloparseků.

Přestože je ATIC schopen určit směr, odkud zaznamenané částice přicházejí, nemůžeme to interpretovat jako směr, ve kterém se nachází zdroj částic. Detektor byl totiž umístěn v koši balónu pohybujícího se v turbulentním proudění kolem jižního pólu, což činí měření směru přicházejících částic velice ošidným. Navíc, elektrony mohly být při své cestě mnohokrát odkloněny galaktickým magnetickým polem od původního směru. Jediné, v co bylo možné doufat, bylo, že se alespoň podaří zjistit anizotropii v rozložení směrů, ze kterých elelektrony přilétaly.

Tato velká nejistota ovšem vědcům naplno povolila uzdu jejich fantazie v tom, o jaký typ objektu by se v případě zdroje elektronů mohlo jednat. Mezi ty méně exotické možnosti spadají například dosud neobjevené blízké pulsary, mikrokvasary (binární soustavy tvořené normální hvězdou a bílým trpaslíkem, neutronovou hvězdou nebo černou dírou) a černé díry stelárního původu. Zde by snad mohl pomoci nedávno vypuštěný kosmický dalekohled Fermi, pracující v gama oboru elmag. spektra, jehož citlivost by měla být dostačující k objevení některých výše zmíněných objektů.

Mnohem více vzrušující je však návrh, že by zdroj elektronů byl tvořen částicemi temné hmoty, částicemi, které tvoří 23% veškeré látky ve vesmíru (73% zabírá temná energie, zbylá 4% tvoří atomární - baryonová látka).

Existuje jistá třída fyzikálních teorií - Kaluzovy-Kleinovy teorie, které se snaží propojit gravitaci s jinými fundamentálními silovými interakcemi za předpokladu existence dodatečných prostoročasových dimenzí - ty jsou ovšem "srolovány" (kompaktifikovány) do velmi malých měřítek. V současnosti je velice populární (ale zatím nedokázané) vysvětlení, že částice temné hmoty obývají právě tyto dodatečné, skryté dimenze (tzv. Kaluzovy-Kleinovy částice) a my se o jejich existenci dozvídáme výlučně prostřednictvím gravitace.

Jak to ale souvisí s přebytkem vysokoenergetických elektronů v kosmickém záření? Kaluzovy-Kleinovy částice mají jednu zvláštní vlastnost (jednu z mnoha) - jsou sami sobě vlastní antičásticí. Když se tedy dvě tyto částice srazí, tak anihilují a zanechají po sobě spršku vysokoenergetických fotonů a elektronů. Ty ovšem již nezůstávají skryty v dodatečných dimenzích, ale zhmotní se do našeho třírozměrného prostoru, kde je můžeme pozorovat jako částice kosmického záření.

Jedna z možných interpretací dat získaných přístrojem ATIC tedy je, že se v blízkém sousedství sluneční soustavy nachází oblak částic temné hmoty, tvořený především předpokládanými Kaluzovými-Kleinovými částicemi o hmotnosti ekvivalentní klidové energii asi 620 GeV. Při jejich anihilaci by totiž měly vznikat elektrony se stejným spektrem energií, které pozorujeme.

Testování této teorie však určitě nebude snadným úkolem. Jednou z možností je pátrání po dalších produktech anihilace temné hmoty, jako je např. gama záření. Pak by ovšem mohl opět vypomoci již zmiňovaný Fermi.

Další výzkum a pozorování jsou tedy více než nutná. Ale ať už za tím vším stojí cokoli, "it's going to be amazing..."

Zdroj: Science@NASA, pro-physik.de