Skrytá hmota v malých měřítcích

Vědci dnes mají k dispozici obrovské množství pozorovacích dat získaných řadou přístrojů umístěných jak na zemském povrchu, tak ve vesmíru. Současně mají své důmyslné počítačové modely a simulace. Někdy tyto dva soubory dat dávají dobrý popis kosmu, jindy však spolu nejsou v souladu, někdy modely nejsou přesné. Co tedy vědci potřebují k tomu, aby své modely mohli vylepšit? Jaké informace k tomu postrádají?
Zde hrají roli dvě základní věci: První je, že gravitace určuje vše - a gravitaci určuje skrytá hmota. A my nevíme, co tato skrytá hmota je. Takže není divu, že když nevíme, co to je, nemůžeme příliš přesně předpovídat, jak se chová. Skrytá hmota by mohla být velmi komplikovaná, mohlo by ji tvořit deset nebo dvacet různých věcí. A současně mezi tou malou troškou hmoty, kterou známe, působí mnoho různých fyzikálních sil. To je první komplikace. V poslední době ale zde dosahujeme velkých pokroků a právě určujeme, právě pozorujeme, jak se skrytá hmota chová v malých měřítcích, a tak se můžeme učit. Ale to, co skutečně postrádáme, je pochopení fyziky, která se uplatňuje při tvorbě hvězd a galaxií a při jejich seskupování. Už je jasné, že ty nejjednodušší představy, které jsme měli - že prostě začneme s téměř stejným a stejnoměrně rozloženým plynem v raném vesmíru a jednoduše ho necháme hroutit vlastní vahou - nejsou vůbec dost nápadité. Takže jde o jednu z takových velkých událostí, jakou byla třeba Tychonova supernova. Jediný způsob, jak můžeme postoupit kupředu, je sebrat se, podívat se, co nám vlastně vesmír říká, a z toho vyvodit, co se ve skutečnosti odehrává. Je fakticky beznadějné vytvářet modely jen tak, že budeme sedět ve svých bílých kancelářích s počítači a jen dumat, co bychom dělali my, kdybychom vytvářeli galaxie. Klíčový význam tedy má vytvořit co nejjednodušší model, zjistit, co je v něm chybně, poučit se z toho a vylepšit ho. Jsme teprve na začátku tohoto procesu, teprve ho rozbíháme. Teprve nedávno jsme pomocí takových přístrojů, jako je Hubbleův vesmírný dalekohled, VLT a celé generace velkých teleskopů získali bohatství skvělých údajů - a uvědomujeme si, že modely jsou úplně špatně. Teď je na čase do nich zahrnout nové informace a pokusit se, aby jejich předpovědi byly dost dobré - a abychom mohli zase prokázat, v čem jsou chybné, a něco nového se naučit.

Naznačujete tím, že pokud vědci zjistí, co je skrytá hmota, budou možná muset změnit veškeré své teorie o tom, jak vesmír funguje?
Ano, je to přesně tak. Je určitě pravda - už to víme - že skrytá hmota je daleko zajímavější, než jak ji popisujeme ve svých současných modelech. V modelech - alespoň v těch nejběžnějších - se předpokládá, že skrytá hmota vůbec nemá žádné vlastnosti kromě gravitace. A to je prostě nereálné. Ale právě teď, právě letos se velmi rychle učíme o vlastnostech skryté hmoty zvlášť v malých měřítcích. Dozvídáme se, že není uspořádána do nějakých maličkých cihliček, je rozložena daleko bohatším a zajímavějším způsobem. A my se začínáme dozvídat, jak to bude determinovat struktury, velmi malé struktury ve vesmíru, z nichž pocházejí galaxie. Hraje tu roli také velmi složitá fyzika, kde se musíme zabývat tím, jak se v prostoru pohybuje plyn, jak funguje magnetické pole a podobně. Nyní už víme, že modely, které máme, pozoruhodně dobře fungují při vysvětlování velkých struktur ve vesmíru. Velkorozměrové vlastnosti se tedy nebudou moc měnit, ty skutečně velmi jednoduché modely vysvětlují skvěle. V těchto modelech však nejsou téměř žádné informace. Je do nich zahrnuta pouze gravitace a pozorování toho, jak vesmír vypadá, pořízená družicemi. Neudělalo se tedy nic jiného, než že se vzala pozorování, přidalo se trochu gravitace a řeklo se: dobrá, tohle vysvětluje velkorozměrovou strukturu. O moc víc se toho dozvědět nedá. V měřítku galaxií - jako je Mléčná dráha a menších - se toho však můžeme dozvědět mnohem víc. A s tím, jak se skutečně dozvídáme víc, si uvědomujeme, že zde fakticky existuje výrazná zpětná vazba ve stále větších a větších měřítcích. Takže je možné vylepšovat poznatky a modely jak na větších, tak na menších škálách.

Co je tedy tím nejzákladnějším faktem, který byste se ve svém výzkumu chtěl dozvědět nejdřív?
Teď právě věnuji nejvíc času mapování skryté hmoty ve velmi malých měřítcích.

A co podle vašeho názoru může skrytá hmota být?
Podle mého odhadu to je přinejmenším jeden, ale pravděpodobně několik nových typů elementárních částic. Považuji to za nejpřijatelnější vysvětlení, a to z velké části proto, že vidíme, že se ve velmi malých strukturách chová tak klidně, takže takové exotické věci, jako kameny, černé díry, nové formy sil atd. nevypadají moc pravděpodobně. Teď to vypadá na nové elementární částice. To je ve skutečnosti velice vzrušující, protože za pouhý rok začíná experiment na novém urychlovači částic LHC v CERNu. Takže teď to bude dva nebo tři roky velmi napínavé, protože naše pozorování už definují vlastnosti skryté hmoty ve velmi malých měřítcích. Víme o ní daleko víc než před pouhým rokem - a nejzjevnější kandidáti nejsou fakticky příliš v souladu s našimi astronomickými pozorováními. A tak se částicoví fyzikové pro začátek chtějí dozvědět, jestli jejich nejzřejmější kandidáti - částice typu Higgsova bosonu - existují nebo ne. A už teď říkáme, že i kdyby existovaly, nedávají celou odpověď, jsou pouze částí odpovědi. To nejvíc vzrušující, co bychom chtěli zjistit, samozřejmě je, co tvoří většinu toho všeho - a většinu tvoří skrytá hmota. To ovšem bude obtížnější problém a podle mého názoru se o opravdový pokrok, kterého bude v příštích deseti až patnácti letech dosaženo, zaslouží pozorování, nikoli teorie.

Článek převzat a přeložen z kongresových novin Nuncius Sidereus III.

Přeložila Jana Olivová 
Odpovědný redaktor Kongresových novin  Michal Sobotka