Temná hmota je jednou z největších záhad současné fyziky. Zde na CDR o ní byla řeč v různých článcích a interpretována z různých úhlů ať už ode mě nebo od kolegů. Podle současných teoretických odhadů představuje přibližně 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru, přesto ji nemůžeme pozorovat přímo. Dále se říká, že nevyzařuje světlo, nepohlcuje ho ani ho neodráží způsobem, který by nám umožnil ji běžnými astronomickými přístroji zachytit. O její existenci se tedy ví především díky gravitačním účinkům, které působí na viditelnou hmotu a světlo.

Vědci už se dlouho snaží zjistit, z jakých částic by tato neviditelná hmota mohla být složena. Jedna z možností, která v posledních letech získává stále větší pozornost, počítá s extrémně lehkými částicemi. Pokud by temnou hmotu skutečně tvořily částice s mimořádně malou hmotností, mohly by se za určitých podmínek chovat spíše jako vlny než jako jednotlivé částice. Tento scénář se začal označovat jako „fuzzy“ neboli vlnová temná hmota.

Když se temná hmota začne chovat jako vlna

Představa vlnové temné hmoty se od tradičních modelů liší v zásadní věci. Zatímco v jednodušším pohledu si můžeme temnou hmotu představovat jako množství neviditelných částic rozptýlených ve vesmíru, kvantové vlastnosti ultralehkých částic mohou vést k mnohem složitějšímu obrazu. Částice s extrémně nízkou hmotností mohou mít tak dlouhou vlnovou délku, že se jejich kolektivní chování začne projevovat na astronomických měřítcích.

Vlny se navíc mohou navzájem ovlivňovat. Tam, kde se překrývají, se mohou zesilovat, jinde naopak oslabovat nebo téměř vyrušit. V prostoru tak vzniká charakteristický interferenční vzor, který se posléze promítá také do rozložení hmoty. Temná hmota by v takovém případě nebyla rozložena zcela hladce, ale vytvářela by jemné struktury s oblastmi, v nichž by byla hmota více či méně koncentrovaná.

Takové nepravidelnosti nejsou pouze teoretická zajímavost, protože hmota zakřivuje časoprostor, každá změna v jejím rozložení může ovlivnit také způsob, jakým se ve vesmíru šíří světlo. Pokud tedy vlnová povaha temné hmoty skutečně vytváří charakteristické vzory v rozložení hmoty, mohla by zanechat pozorovatelný otisk v gravitačním čočkování.

A tohoto otisku se nyní pokusili využít astronomové a fyzikové z Čínské univerzity v Pekingu a Hongkongu. Je však třeba podotknout, že nebyli první... již se o to párkrát pokoušeli třeba astrofyzici v rámci projektu Dark Energy Survey a jeho rozšíření známého jako DECADE.

Gravitační čočkování jako nástroj k hledání temné hmoty

Gravitační čočkování patří mezi impozantní důsledky Einsteinovy obecné relativity. Masivní objekt, například galaxie nebo celé galaktické kupy, svou gravitací zakřivuje okolní časoprostor. Když pak světlo vzdáleného objektu prochází kolem takového gravitačního pole, jeho dráha se ohne. Pro pozorovatele na Zemi se proto vzdálený objekt může jevit na jiném místě, případně se může objevit v několika různých obrazech.

Astronomové tohoto jevu využívají už řadu let. Gravitační čočkování totiž umožňuje zkoumat nejen objekty, jejichž světlo k nám přichází, ale také samotné rozložení hmoty, která se nachází mezi nimi a námi, což je mimořádně důležité u temné hmoty. I když ji nevidíme, její gravitace by fakticky měla ovlivňovat světlo stejně jako gravitace běžné hmoty.

V případě, že se tedy podaří velmi přesně změřit polohu a vlastnosti několika obrazů vzdáleného objektu vytvořených gravitační čočkou, lze z těchto údajů zpětně usuzovat, jak musí být hmota v okolí čočkujícího objektu rozložena. A jestliže se různé teoretické modely temné hmoty liší v tom, jaké rozložení hmoty předpovídají, může gravitační čočkování nabídnout způsob, jak mezi nimi experimentálně rozlišovat.

Výzkumný tým vedený Pekingskou normální univerzitou ve spolupráci s astrofyziky z Hongkongské univerzity nyní tento přístup posunul o stupínek dál. Poprvé vytvořil předpovědi gravitačního čočkování přímo na základě trojrozměrných simulací vlnového chování temné hmoty.

Počítačové simulace ukázaly, jak by mohla vypadat vlnová čočka

Zdroj: ChatGPT

Vědci při svých výpočtech nespoléhali pouze na zjednodušený model rozložení temné hmoty. Místo toho simulovali, jak by se ultralehké částice chovaly při vzájemném působení a jak by jejich vlnové vlastnosti vedly ke vzniku konkrétních struktur v rozložení hmoty.

Vytvořily se trojrozměrné mapy zachycující strukturu temné hmoty, která by podle tohoto modelu vznikala v důsledku vlnové interference. Tyto struktury následně vědci použili k výpočtu toho, jak by jejich gravitace ovlivnila světlo vzdálených objektů.

To umožňuje propojit poměrně abstraktní vlastnosti hypotetických částic s něčím, co lze skutečně pozorovat pomocí astronomických přístrojů. Nejde tedy pouze o otázku, jak se částice chovají na papíře. Pokud tento model odpovídá realitě, měl by se určitým způsobem projevit i v obrazech vzdálených galaxií či kvasarů.

Vědci porovnali model s obrazem vzdáleného kvasaru

Pro ověření svých výpočtů se výzkumníci zaměřili na známý gravitačně čočkovaný kvasar. Kvasary patří mezi nejjasnější objekty ve vesmíru. Jejich obrovská svítivost souvisí s aktivitou v okolí supermasivních černých děr v centrech galaxií, a z důvodu jejich mimořádné jasnosti je můžeme pozorovat i na obrovské vzdálenosti.

Světlo tohoto konkrétního kvasaru je při své cestě k Zemi ovlivněno gravitací objektu, který se nachází mezi ním a námi, což přispívá ke vzniku několika obrazů stejného vzdáleného zdroje. Jejich přesná poloha přitom není náhodná. Závisí mimo jiné na tom, jak je rozložena hmota v gravitační čočce.

Zde se podle autorů studie ukázal klíčový rozdíl mezi jednotlivými modely. Simulace založené na vlnové „fuzzy“ temné hmotě dokázaly pozorované polohy obrazů kvasaru reprodukovat přesněji než běžně používané srovnávací modely, které byly v rámci studie rovněž testovány.

Výsledek proto představuje určitý náznak, že vlnová povaha temné hmoty by mohla být prostřednictvím gravitačního čočkování testovatelná. Neznamená to však, že vědci zjistili, z čeho se temná hmota skládá - k tomu povede ještě opravdu hodně dlouhá cesta. Třeba budoucí vývoj kvantové fyziky nám postupně odhalí více na nekosmických úrovních.

Výzkum začal spoluprací vědců z Pekingu a Hongkongu

Za samotnou studií stojí spolupráce mezi vědci z Pekingské normální univerzity a Hongkongské univerzity. Výzkumná práce se rozběhla během návštěv profesora Jeremyho Lima a doktora Amrutha Alfreda z hongkongského oddělení fyziky a Hong Kong Institute of Astronomy and Astrophysics na Pekingské normální univerzitě.

Tam spolupracovali s doktorem Zhengxiangem Li a doktorandem Jiajunem Zhouem, který je hlavní autor této studie, ve skupině profesora Zong-Honga Zhu.

Pro výzkumníky přitom nebylo předem jasné, jak přesně by se hypotetické vlnové chování temné hmoty mohlo projevit v pozorovatelných datech. Samotné výsledky simulací proto pro tým představovaly určité překvapení. Podle vyjádření vědců byli nadšeni tím, co modely předpověděly, protože předem nevěděli, jaké konkrétní pozorovatelné projevy mají očekávat. Což je docela příznačné - temná hmota zůstává a ještě velmi dlouhou dobu zůstane hypotetickým prvkem současného kosmologického obrazu, přestože již existují některé různé představy o tom, jaké částice by ji mohly tvořit. Já osobně jsem však pesimista a myslím si, že se konkrétních důkazů, neabstraktního pojmenování asi nedožiji.