Kam se poděla temná hmota? Vědci pomalu začínají pochybovat o její existenci
Vědci by rádi vysvětlili podstatu kosmu pomocí jednoduchých teorií a principů. Bohužel se zdá, že to nebude tak snadné a že nalezení temné hmoty, která by k pochopení vesmíru výrazně přispěla, představuje skutečně tvrdý oříšek.
Většina našeho vesmíru nám stále uniká. Jde o něco, co nevidíme: Můžeme měřit, jak „to“ gravitačně působí na hvězdy a galaxie. Můžeme vidět, jak „to“ gravitací ohýbá světelné paprsky. Můžeme sledovat, jak „to“ zanechalo stopy z dávných dob krátce po Velkém třesku. Máme spoustu důvodů věřit, že „to“ – neboli temná hmota – je všude kolem nás. Jenže se ukazuje být ještě víc nepolapitelná, než si vědci mysleli.
Fyzici se ji v mnoha různých experimentech pokoušejí detekovat po celá desetiletí, zatím však veškeré jejich snažení nevedlo ke kýženému výsledku. Možná už úspěch leží za rohem, podobně jako tomu bylo u gravitačních vln, které se rovněž podařilo v roce 2016 s velkou slávou detekovat po velmi dlouhém úsilí. V případě temné hmoty se však již čekání projevuje: Někteří ztrácejí optimismus a ptají se, zda hledáme na správném místě a správným způsobem. Mnoho experimentů, jež po temné hmotě pátrají, se totiž zaměřuje na relativně malé množství jejích možných identit. Důvod tkví obvykle v tom, že by v takovém případě podstata temné hmoty zároveň vysvětlila i další velké problémy současné fyziky.
Ještě temnější
Přesto neexistuje žádná záruka, že záhada temné hmoty nějak souvisí s jinými fyzikálními otazníky. Vědci stále častěji podotýkají, že bychom měli při pátrání rozšířit spektrum možných vysvětlení daného fenoménu. Rozsah problému je očividně děsivý, ale zároveň vzrušující. Současně se už objevuje i představa, že podstatu temné hmoty možná nikdy nevysvětlíme. Když popsaný hon začínal, vypadaly takové nápady absurdně. Badatelé měli v zásobě mnoho solidně vyhlížejících teorií a spoustu možností, jak po temné hmotě pátrat v experimentech. Čas ovšem běžel a snadné cesty k jejímu objevu se již víceméně uzavřely. Ukázalo se, že je ještě temnější, než se původně zdálo.
Temná hmota se možná chová tak, že ji současné experimenty nejsou příliš způsobilé odhalit: Pokud by například kompletně ignorovala běžnou látku s výjimkou gravitačního působení, bylo by prakticky nemožné ji detekovat v laboratoři. Zůstala by nám sice možnost mapovat její vlivy v okolním vesmíru, ale mohlo by se stát, že její skutečnou podstatu nikdy neodkryjeme. Vědci popsanému pátrání věnovali ohromující úsilí a dokázali již vyloučit řadu možných odpovědí i řešení, zatímco u mnoha dalších velmi zúžili „manévrovací prostor“. Většina fyziků přitom podle všeho stále věří, že nějaká temná hmota opravdu existuje a představuje svébytnou formu látky, jež se významně podílí na struktuře vesmíru.
Čím ji nahradit?
Bez temné hmoty by se totiž naše kosmologické modely a chápání vzniku i vývoje vesmíru ocitly na suchu. Vyžadovalo by to zásadní úpravy současného pojetí gravitace, které stavějí na obecné relativitě, což by ovšem nebylo vůbec snadné. Buď bychom museli rovnice obecné relativity vyladit, nebo ji vyměnit za něco jiného. Fyzici se o to pokoušejí už od časů Alberta Einsteina, ale i popsané snahy zatím vyznívají naprázdno.
Takové změny by musely nahradit působení temné hmoty na celé škále astrofyzikálních systémů, od ohromných kup galaxií na vláknech kosmické pavučiny až po ty nejmenší satelitní hvězdné ostrovy kolem Mléčné dráhy. Jinými slovy by vědci museli aplikovat změny napříč ohromným rozsahem prostoru a času, aniž by tím však zpochybnili další přesná měření související s gravitací, získaná pozorováním vesmíru. Mimo jiné by také bylo nutné vysvětlit, proč některé galaxie a galaktické kupy působí dojmem, že žádnou temnou hmotu neobsahují – což příliš nedává smysl, pokud by měla představovat pouhý projev nedostatečného chápání gravitace. Zmíněné komplikace vedly k tomu, že nejsofistikovanější pokusy o modifikaci gravitace, původně motivované snahou se temné hmotě vyhnout, ironicky končí zavedením jejího určitého typu.
Velmi těžké, velmi lehké
V posledních letech se u lovců temné hmoty těšily největší popularitě dva extrémně rozdílné typy částic – velmi těžké WIMPy neboli weakly interacting massive particles a velmi lehké axiony, úzce spojené s kvantovou chromodynamikou. První zmíněné představují masivní částice, které lze víceméně srovnávat s částicemi standardního modelu. Pro představu: Proton dosahuje o něco nižší hmotnosti než 1 GeV/c², zatímco naprostá většina experimentů pátrajících po WIMPech se soustředí na částice o hmotnosti 10–1 000 GeV/c².
Fyzici původně hodně sázeli na supersymetrii, tedy skupinu teorií, podle nichž má každá známá částice svůj těžší protějšek neboli superpartnera. Na ověřování daných teorií se vydatně podílel Velký hadronový urychlovač LHC v CERNu, ale optimismus se nepotvrdil. Pokud supersymetrie existuje, jsou superpartneři těžší, než se původně myslelo. WIMPy by sice mohly tvořit temnou hmotu i bez supersymetrie, ale počáteční nadšení pro ně do značné míry vyprchalo.
Mnozí fyzici měli WIMPy v oblibě, protože by vzhledem ke své povaze generovaly právě takové množství temné hmoty, jaké ve vesmíru pozorujeme – samozřejmě za předpokladu, že ji opravdu utvářejí. Navíc by musely do jisté míry interagovat se známými částicemi, což dává naději na jejich experimentální zachycení.
V současnosti existují tři klasické postupy pátrání po WIMPech: Zaprvé chtějí fyzici pomocí výkonných srážečů, jako je zmiňovaný LHC, napodobit situaci na počátku vesmíru a stvořit temnou hmotu, kterou by pak mohli detekovat. Při pokusech s přímou detekcí zas extrémně citlivé přístroje pátrají po „záškubech“ běžných částic, zasažených částicemi temné hmoty. Zbývající možnost představuje nepřímá detekce, kdy se hledají běžné částice vznikající po případné vzájemné anihilaci částic temné hmoty.
Hra na slepou bábu
Problém tkví v tom, že podobné pátrání připomíná hru na slepou bábu. O částicích temné hmoty víme velice málo – přitom třeba pro pokusy s kolizemi na LHC je důležité znát hmotnost částic. Čím hmotnější by WIMPy byly, tím energetičtější by musely být i dané srážky, aby při nich hledané částice vznikly. V případě přímé detekce zas netušíme, jak často by měly WIMPy narážet do běžných částic. A přestože astrofyzikální pozorování již odhalila určité signály potenciální vzájemné anihilace částic temné hmoty, nejsou vědci přesvědčeni, že jde o jasné důkazy její existence (viz Falešný signál). Budoucí experimenty a sledování vesmíru by mohly díky novým technologiím objasnit víc.
Úplně jiné kandidáty na temnou hmotu představují už zmíněné axiony. Stejně jako v případě WIMPů by šlo o dosud neznámé částice, ale tím jejich vzájemná podobnost v podstatě končí. Axiony by totiž měly být extrémně lehké, lehčí než všechny známé částice včetně neutrin, a pro dostatečné vysvětlení temné hmoty by musely být tak hojné, že by se projevovaly spíš jako vlny než částice. Jejich existence by přitom mohla vyřešit i jiné problémy současné fyziky. Jelikož by jejich působení na běžnou hmotu mělo být velmi slabé, pátrá po nich méně pokusů, jež pokrývají pouze zlomek možných hmotností axionů. Fyzikům v daném směru otevírají dveře nové metody detekce a kvantové senzory. Objevují se podstatně vylepšené varianty experimentů, jako třeba upgradovaný dlouhodobý projekt ADMX G2 neboli Axion Dark Matter Experiment nebo připravovaný DM Radio Pathfinder Experiment.
Přízračné MACHO objekty
Nejmenší shluky tajemné materie, jejichž existenci dokážeme odvodit pozorováním vesmíru, mají hmotnost desítek milionů sluncí. Jednotlivé částice temné hmoty by měly být menší a lehčí, není však jasné o kolik. Mezi populárními kandidáty před časem figurovaly tzv. massive compact halo objects čili MACHO – masivní, ale přitom „neviditelné“ objekty, jako třeba primordiální černé díry. Prostor pro jejich existenci se nicméně neustále zmenšuje, takže vědci dnes věří, že pokud takové černé díry tvoří temnou hmotu, musejí mít hmotnost odpovídající zhruba tisícině Měsíce.
Vezmeme-li v úvahu nejlehčí a nejvíc hmotné kandidáty na temnou hmotu, zkoumají fyzici hmotnosti v rozmezí 75 řádů. Pro srovnání: Velikost protonu a pozorovatelného vesmíru dělí rozdíl asi 41 řádů. Kýžených odpovědí bychom se však mohli dobrat spuštěním velkého počtu relativně malých experimentů, které by dokázaly detekovat vždy jen úzce vymezený typ částic temné hmoty.
Možná opravdu neexistuje
Fyzikální komunita se na nedávných sympoziích shodla, že hon na temnou hmotu vyžaduje vyváženou strategii. Vědci se plánují důkladně ponořit do ověřování svých preferovaných hypotéz, ale současně se budou snažit plošně – a méně do hloubky – zkoumat maximum různých možností povahy temné hmoty. S trochou štěstí pak některý z experimentů nakonec narazí na její signál.
Nicméně v současné situaci, kdy již řada slibných kandidátů padla, nelze vyloučit, že žádný z dílčích pokusů hledanou materii nezachytí. Možná budou muset badatelé přehodnotit celkové směřování částicové fyziky i kosmologie, pro které temná hmota znamená svatý grál. Nemuselo by však jít o takové zklamání: Věda se neustále vyvíjí a občas se směr, jenž předtím udával tón výzkumu, ukáže jako neživotaschopný. I to lze přitom považovat za úspěch, přestože s poněkud hořkým podtónem.
Otazníky přetrvávají
Ve skutečnosti už docela dlouho známe určité typy temné hmoty, jako jsou třeba neutrina. Jde o téměř nehmotné částice, které vyplňují celý vesmír, ale prakticky neinteragují s jinými částicemi. Jsou ovšem tak lehké, že mohou k efektu temné hmoty přispívat maximálně jedním procentem. Co tedy s těmi zbývajícími devadesáti devíti?
Mohla by temná hmota sestávat z dosud neznámých, hypotetických částic, jež netvoří součást dnešního standardního modelu částicové fyziky? Mohly by na ně působit síly, které na známé částice nepůsobí – podobně jako na potenciální částice temné hmoty nepůsobí například elektromagnetická síla? Mohly by snad částice tajemné materie souviset s nějakými neznámými fyzikálními principy? Odpovědi na uvedené otázky dál halí mlha.
