Dlouho považovaný důkaz temné hmoty se rozpadá. Nová data mluví jasně

Když astronomové pozorují pohyb hvězd uvnitř galaxií nebo vzájemné pohyby galaxií v kupách, narážejí na zásadní problém. Viditelná hmota jako hvězdy, planety, plyn a prach jednoduše nestačí k vysvětlení gravitačních sil, které ve vesmíru pozorujeme. Galaxie by se podle známých fyzikálních zákonů měly rozpadnout mnohem rychleji, než se ve skutečnosti děje.

Proto vznikla teorie temné hmoty. Podle ní existuje neviditelná forma hmoty, která nevyzařuje ani nepohlcuje světlo, ale svou gravitací významně ovlivňuje vývoj celého vesmíru. Odhaduje se, že představuje přibližně 85 % veškeré hmoty ve vesmíru.

Přestože se vědci snaží temnou hmotu objevit pomocí stále citlivějších detektorů i urychlovačů částic, žádný experiment zatím nepřinesl jednoznačný důkaz o tom, z čeho se skládá a kde přesně se nachází.

Myšlenka skrytých dimenzí není jen science fiction

Koncept dalších prostorových dimenzí může znít jako něco převzatého z vědeckofantastických příběhů. Ve skutečnosti se však podobnými možnostmi zabývá i moderní teoretická fyzika. Některé modely, například různé varianty teorie strun, předpokládají, že kromě tří známých prostorových rozměrů a času mohou existovat ještě další dimenze, které jsou pro nás běžně nepozorovatelné.

A do jedné takové skryté dimenze umisťuje nový model částice temné hmoty. Vedle nich zde vystupuje také hypotetická částice označovaná jako temný foton. Ten by fungoval jako nositel síly podobně, jako běžný foton zprostředkovává elektromagnetickou interakci.

Podle autorů studie není rozhodující pouze samotná existence této dodatečné dimenze, ale především její geometrie. Její matematická struktura totiž přirozeně určuje vlastnosti částic, které se v ní pohybují.

Geometrie sama vytváří rezonanci

Klíčovým prvkem nové teorie je jev označovaný jako rezonance temné hmoty. Rezonance je obecně známý fyzikální princip. Nastává tehdy, když systém začne velmi silně reagovat na určitou přesně odpovídající frekvenci. Podobný efekt můžeme pozorovat kupříkladu u hudebních nástrojů, jejichž struny nebo vzduchový sloupec začnou při správném tónu intenzivně vibrovat.

V případě temné hmoty nejde samozřejmě o zvuk, ale o velmi přesné sladění hmotností dvou hypotetických částic. Pokud jsou jejich hmotnosti téměř totožné, mohou mezi sebou interagovat mnohem účinněji.

Dosavadní teoretické modely s rezonancí obvykle předpokládaly, že toto mimořádně přesné nastavení hmotností jednoduše existuje. Jinými slovy bylo do modelu vloženo záměrně, protože bez něj by výpočty nefungovaly.

Nová studie ovšem přichází s elegantnějším řešením. Podle autorů nemusí být žádné umělé nastavování potřeba. Samotná geometrie páté dimenze totiž přirozeně vede k tomu, že hmotnosti částic získají téměř ideální hodnoty pro vznik rezonance.

Zdroj: Shutterstock

Proč byla temná hmota aktivní v minulosti, ale dnes je téměř neviditelná

Jeden z největších problémů současných teorií je vysvětlit zdánlivý rozpor mezi minulostí a současností vesmíru.

Krátce po velkém třesku musely částice temné hmoty vzájemně reagovat poměrně intenzivně, aby vzniklo jejich dnešní množství. Pokud by byly jejich interakce příliš slabé už tehdy, vesmír by dnes vypadal úplně jinak.

Na druhou stranu současná pozorování ukazují pravý opak. Temná hmota se dnes chová mimořádně nenápadně. Prakticky nereaguje s běžnou hmotou a odolává všem pokusům o přímou detekci.

Nový model nabízí možné vysvětlení tohoto paradoxu. Rezonance mohla v raném vesmíru výrazně zesilovat interakce částic temné hmoty právě v období, kdy to bylo potřeba. Jak se však vesmír rozpínal a jeho podmínky se měnily, význam rezonance postupně klesal. Dnes proto temná hmota působí téměř neviditelně a s běžnou hmotou interaguje jen velmi slabě.

Podle doktora Yu-Daie Tsaie z University of Sheffield tato vlastnost představuje jednu z největších předností navrženého modelu. Umožňuje totiž skloubit silné interakce v raném vesmíru s tím, že současná temná hmota zůstává mimořádně obtížně zjistitelná.

Přirozenější vysvětlení bez složitých úprav

Ve fyzice se často používá pojem „fine-tuning“, aneb velmi jemné doladění parametrů modelu. Pokud teorie funguje pouze tehdy, když mají některé hodnoty extrémně přesně nastavené velikosti, bývá to považováno za známku toho, že model je neúplný.

A tomuto problému se nový návrh snaží vyhnout. Místo umělého nastavování hmotností částic nabízí přirozené vysvětlení založené na matematické geometrii páté dimenze, kdy potřebné vlastnosti částic vznikají automaticky jako důsledek samotné struktury prostoru.

Takové řešení je pro teoretické fyziky velmi atraktivní, protože přímější modely bývají často považovány za pravděpodobnější než ty, které vyžadují velké množství dodatečných předpokladů.

Nové cíle pro budoucí experimenty

Ačkoliv jde zatím pouze o teoretickou práci, může mít významný dopad na budoucí výzkum. Pokud model správně popisuje chování temné hmoty, poskytuje experimentálním fyzikům nové vodítko, na jaké vlastnosti částic se při hledání zaměřit.

Výzkum temné hmoty navíc nepřináší přínosy pouze pro kosmologii. Technologie vyvíjené pro extrémně citlivé experimenty nacházejí využití i v dalších oborech. Patří mezi ně například pokročilé kryogenní systémy, mimořádně citlivé detektory, elektronika s minimálním šumem nebo kvantové měřicí technologie. Ty mohou v budoucnu přispět k rozvoji medicíny, výpočetní techniky i moderních komunikačních systémů.