Temná hmota

Z Multimediaexpo.cz

Přes snímek z Hubblova kosmického dalekohledu byl vložen modrý obraz naměřeného prstencového rozložení temné hmoty kolem středu kupy galaxií CL0024+17.^[1]

Temná hmota je označení hypotetické formy hmoty. Její existence by vysvětlovala nesrovnalosti mezi některými skutečně pozorovanými a vypočítanými hodnotami. O povaze temné hmoty existuje množství teorií, většina z nich se shoduje na faktu, že temnou hmotu lze ve vesmíru pozorovat jen díky jejímu gravitačnímu vlivu na okolní objekty tvořené běžnou „svítící“ hmotou.

O existenci temné hmoty poprvé referoval už v roce 1933 švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky, který narazil na nesrovnalosti při studiu rotací galaxií. Na rozdíl od temné energie není temná hmota rozložena v prostoru rovnoměrně. Díky přitažlivé gravitaci tvoří shluky podobně jako viditelná hmota, která je k těmto shlukům také přitahována. Některé novější výzkumy ukazují, že by temná hmota přeci jen mohla mít vliv na elektromagnetické záření přítomné ve vesmíru - na polarizaci mikrovlnného pozadí.^[2]

Podle posledních měření je ve vesmíru temné hmoty kolem 23 %, zatímco nám známá baryonová hmota, z níž je složena většina objektů, které můžeme přímo či nepřímo pozorovat, tvoří jen 4 %. Zbytek vesmíru 73 %, tedy největší část, tvoří takzvaná temná energie.^[3]

Grafické znázornění předpokládaného rozložení hmoty ve vesmíru v současné době a před 13,7 miliardami let.

Baryonová a nebaryonová temná hmota

Malou částí temné hmoty může být i baryonová temná hmota (tzn. částice, které jsou složeny ze tří kvarkůa poločíselným spin). Tato hmota by měla vyzařovat nepatrné (nebo žádné) množností elektromagnetické energie. Do těchto objektů patří např. hnědí trpaslíci, nebo masivní halo objekty (MACHO). Tento typ hmoty ale přispívá jen nepatrným množstvím do celkové hmotnosti předpokládané temné hmoty. Předpokládá se, že drtivou většinu temné hmoty tvoří nebaryonová temná hmota, která není složena z atomů. Tato hmota by měla mít nulovou klidovou hmotnost i energii. Nebaryonovou temnou hmotu rozdělujeme do tří skupin: horká temná hmota (HDM), chladná temná hmota (CDM) a teplá temná hmota (WDM), přičemž jsou možné i některé její kombinace.^[4]

Horká temná hmota (HDM)

Má malou klidovou hmotnost a částice se pohybují ultrarelativisticky. Předpokládá se, že tento typ hmoty by mohla zprostředkovávat neutrina.

Teplá temná hmota (WDM)

U tohoto typu temné hmoty se částice pohybují relativisticky. Předpokládá se, že tento typ temné hmoty by mohl zprostředkovávat supersymetrický partner k částici graviton (předpovězen z teorie supergravitace).

Chladná temná hmota (CDM)

Má větší klidovou hmotnost a pohybuje se nerelativisticky. Tuto hmotu by měly zprostředkovávat částice typu fotina, neutralina, těžká neutralina, nebo axiony.

Projevy temné hmoty

Pokud budeme ve vesmíru pozorovat gravitační chování velkých objektů typu galaxií, nebo jejích kup, tak zjistíme, že musí existovat hmota, kterou nepozorujeme (tzv. temná hmota). Existenci temné hmoty jako první zavedl astronom Fritz-Zwicky (při pozorování kupy galaxií ve vlasech Beraniky). V následujícím odstavci popíši jeho pozorování.

Rotační rychlosti galaxií

Spirální galaxie NGC 6503.

Asi nejpřesvědčivější argument pro existenci temné hmoty je měření rychlostí spirálních galaxií. Spirální galaxie má střed kulového tvaru, z níž vychází jednotlivá spirální ramena. Oběžné rychlosti můžeme měřit pomocí spektrálních čar (Doplerova posuvu) jako funkci od středu galaxie.

Příkladem je např. měření závislosti rychlosti na vzdálenosti galaxie NGC 6503. Výsledkem měření bylo, že rychlost od centra galaxie roste přibližně na hodnotu 120 km/s, a zde zůstává konstantní až do nejvzdálenějších měřitelných vzdáleností. To je ale v rozporu s pozorováním, kde svítivost klesá se zvyšující se vzdáleností od centra galaxie. Právě tento rozpor nás vede k myšlence zavedení temné hmoty, která by vysvětlovala gravitačním působením tuto charakteristiku rotační rychlosti.^[5][6]

Historické pozorování Frantze-Zwickyho

Frantz-Zwicky postupoval obdobně jako u výše zmíněného experimentu, kdy změřil rotační rychlosti jednotlivých galaxií v kupě galaxií. Z této znalosti a předpokládané celkové hmotnosti, aby byla kupa stabilní, odhadnul hmotnost této kupy. Když tuto hmotnost porovnal s předpokládanou hmotností (tj. hmotností jednotlivých galaxií v této kupě), tak výsledek byl 400x rozdílný. Právě tento nesoulad ho přivedl k myšlence existence nějaké jiné formy hmoty, než jsme schopni pozorovat.

Detekce

Kandidátů na částice, ze kterých se skládá temná hmota, je mnoho a podle typu těchto částic budeme také dělit způsoby jejich detekce. Např. experimenty, které se snaží nalézt jednoho z kandidátů na temnou hmotu - slabě interagující hmotné částice (WIMPs), které každou sekundou prochází zemí, tak můžeme jmenovat např. expetimenty CDMS(Cryogenic Dark Matter Search), DRIFT(Directional Recoil Identification From Tracks), nebo PICASSO(Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects). Dalším, v dnešní době hodně diskutovaným kandidátem na temnou hmotu, jsou axiony. Jsou to velmi lehké částice s nulovým spinem i elektrickým nábojem. I na detekci axionů je v dnešní době mnoho experimentů a jsou to např. OSQAR, PVLAS, nebo CAST

Experimenty můžeme rozdělit do dvou kategorií – přímé a nepřímé. Do přímých experimentů zařazujeme experimenty, které hledají rozptyl částic temné hmoty a nepřímé experimenty studují produkty anihilace částic WIMP.

Reference

1. ↑ Hubble „viděl“ prstenec temné hmoty - astro.cz odkazuje na Astrophysical Journal
2. ↑ Dark matter may not be so dark - Server physicsworld.com informuje o závěrech Susan Gardnerové z Univerzity v Kentucky
3. ↑ Klíčové parametry našeho vesmíru - prof. Petr Kulhánek
4. ↑ http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/prednasky/temna/nebaryon/nebaryon.html Nebaryonová temná hmota
5. ↑ http://www.ian.cz/detart_fr.php?id=1699 Po stopách temné hmoty
6. ↑ http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_29_thv.html Milan Červenka: Temná hmota ve vesmíru

Externí odkazy

• Ideje.cz – Podobnost galaxií popírá temnou hmotu
• OSEL.cz – Temná hmota vesmíru
• Temná hmota je teplá rovněž na osel.cz
• Temná hmota ve vesmíru - Milan Červenka, aldebaran.cz
• Zrychlování expanze vesmíru – chyba Einsteinovy relativity nebo temná hmota? rovněž na osel.cz
• Temná hmota a skryté rozměry vesmíru rovněž na osel.cz
• prof. Petr Kulhánek (ČVUT FEL), Temná hmota
• Objev záhadné „temné galaxie“ - galaxie tvořená téměř výhradně temnou hmotou
• Kandidáti na temnou hmotu (2009) - v časopisu New Journal of Physics (anglicky)
• Vědci objevili temnou hmotu tvořící 90 procent vesmíru, aktuálně.cz, 23. 12. 2009
• Experiment PVLAS Webové stránky experimentu PVLAS (anglicky)
• Experiment OSQAR Webové stránky experimentu OSQAR (anglicky)
• Experiment CAST Webové stránky experimentu CAST (anglicky)