Existuje temná hmota?

Existuje temná hmota?
Existuje temná hmota?
Anonim

Temná hmota je nejběžnější věcí ve vesmíru, kterou fyzikové dosud nedokázali detekovat. Je načase zvážit alternativní vysvětlení, domnívá se autor. Podle jeho názoru může například upřesnění Newtonova zákona vysvětlit pozorované jevy bez temné hmoty.

1969 Americká astronomka Věra Rubinová byla zaražena při pozorování galaxie roztažené do prostoru zvaného Andromeda, nejbližší soused Mléčné dráhy. Při pozorování spirálních ramen hvězd, která byla velmi pečlivě změřena spektrální analýzou na národní observatoři Kitt Peak a Lowell Observatory - obě v Arizoně - objevila něco neobvyklého: vytvořil se dojem, že hvězdy se nacházejí na periferii této galaxie pohybovali se na svých oběžných drahách příliš rychle. Tak rychle, že začala očekávat jejich oddělení od Andromedy a odchod někam dál do vesmíru. Spirálovité hvězdy však zůstaly na svém místě.

Rubinova pozorování, která rozšířila na desítky dalších spirálních galaxií, vedla k dramatickému dilematu: buď mají větší hmotnost, jsou temné a skryté před pozorováním, ale jsou schopné pojmout galaxie společně s jejich gravitačními poli, nebo gravitace nějak funguje v různých oblastech a rozšířená galaxie ve vesmíru se velmi liší od toho, co vědci dříve věřili.

Rubinův důležitý objev nebyl oceněn Nobelovou cenou, ale vědci začali hledat stopy temné hmoty jinde - kolem hvězd a plynových mraků, stejně jako kolem největších struktur v galaxiích v celém vesmíru. V roce 1970 astrofyzik Simon White z University of Cambridge tvrdil, že by mohl vysvětlit konglomeraci galaxií pomocí modelu, ve kterém je většina hmoty ve vesmíru temná a daleko převyšuje všechny atomy ve všech hvězdách na obloze. Během příštího desetiletí White a další pokračovali ve výzkumu tímto směrem tím, že simulovali dynamiku částic hypotetické temné hmoty a pracovali na počítačích, které v té době nebyly tak uživatelsky přívětivé.

Navzdory pokroku dosaženému za poslední půlstoletí nebyl dosud nikdo schopen přímo detekovat jedinou částici temné hmoty. Temná hmota pokaždé unikla badatelům jako letmý stín v lese. Pokaždé, když se vědci pokusili detekovat částice temné hmoty pomocí silných a citlivých experimentů v opuštěných dolech a na Antarktidě, stejně jako pokaždé, když se je pokusili vyrobit v urychlovačích částic, pokaždé, když se ocitli s prázdnou. Fyzici chvíli doufali, že objeví teoretický typ hmoty zvané slabě interagující masivní částice (WIMP), ale tyto pokusy byly neúspěšné.

Protože slabě interagující masivní částice nedostaly téměř žádnou šanci, zdá se, že temná hmota je i nadále nejhojnější věcí [ve vesmíru], kterou fyzikové nikdy nedokázali detekovat. Dokud jej nenajdou, stále existuje možnost, že vůbec neexistuje. Alternativa však zůstává: místo obrovského množství skryté hmoty může nějaký tajemný aspekt gravitace ohnout vesmír.

Myšlenka, že se gravitace ve velkém měřítku [galaxií] chová odlišně, byla od rozkvětu Rubinovy a Whiteovy teorie posunuta na okraj výzkumu. Nyní je však načase tuto možnost zvážit. Vědci a výzkumné týmy by měli být vysláni, aby našli alternativy k temné hmotě. Konference a grantové výbory by měly o těchto teoriích diskutovat a navrhovat nové experimenty. Bez ohledu na to, kdo má pravdu, takové zkoumání alternativ nakonec pomůže vykrystalizovat hranici mezi tím, co nevíme, a tím, co víme. Taková opatření pomohou formulovat odvážné otázky, podpoří produktivitu výzkumu, zdůrazní slabiny těchto teorií a pomohou novému myšlení pokročit vpřed. Navíc nás to donutí rozhodnout se, jaký druh důkazů potřebujeme, abychom uvěřili tomu, co nevidíme.

***

Už jsme si tím prošli. Na začátku 80. let izraelský fyzik Mordehai ‘Moti’ Milgrom zpochybňoval stále populárnější vyprávění o temné hmotě. Při práci v ústavu na jihu Tel Avivu studoval měření provedená Rubinem a dalšími a poté navrhl, že fyzici chybějící a nepolapitelnou hmotu ve skutečnosti nepotřebují; místo toho mylně předpokládali, že plně chápou, jak funguje gravitace. Vzhledem k tomu, že vzdálené hvězdy a plynná oblaka obíhají galaxie rychleji, než se očekávalo, má větší smysl vyladit standardní pojmy gravitace, než vymýšlet zcela nový typ hmoty.

Milgrom navrhl, aby se druhý Newtonův pohybový zákon (popisuje, jak se gravitační síly působící na předmět mění se zrychlením a hmotností) mírně změnil se zrychlením objektu. Planety jako Neptun nebo Uran obíhající kolem Slunce nebo hvězdy obíhající poblíž středu naší galaxie tento rozdíl nepociťují. Ale ve vzdálených částech Mléčné dráhy budou hvězdy vystaveny slabší gravitační síle, než se dříve předpokládalo pro většinu hmoty této galaxie; upřesnění Newtonova zákona proto může poskytnout vysvětlení pro rychlosti měřené Ruby, aniž by bylo nutné do této záležitosti zapojit temnou hmotu.

Milgromovým hlavním životním projektem se stal vývoj paradigmatu založeného na pojmu absence temné hmoty. Zaprvé pracoval primárně izolovaně na své prototeorii, kterou nazýval Modified Newtonian Dynamics (MOND). "Byl jsem sám mnoho let," říká. „Ale postupně se ke mně začali přidávat další vědci.“

Milgrom sám a několik dalších vědců se zaměřilo na rotující galaxie, kde upravená newtonovská dynamika přesně popisuje to, co Rubin pozoroval, a dělá to stejně jako teorie, kde je přítomna temná hmota. Po chvíli Milgrom a jeho kolegové rozšířili rozsah výzkumu a navrhli spojení mezi rychlostí, s níž se vzdálená část galaxie otáčí, a její celkovou hmotností mínus temná hmota. Astronomové R Brent Tully a J Richard Fisher změřili a jednoduše potvrdili trend, který byl v mnoha teoriích založených na existenci temné hmoty problematický.

Přes tyto úspěchy byla Milgromova úprava druhého Newtonova zákona nadále jen hrubým odhadem, takže jeho myšlenky plně nesplňovaly požadavky na plnohodnotnou teorii. To se začalo měnit, když Jacob Bekenstein, Milgromův kolega z Hebrejské univerzity v Jeruzalémě, rozšířil upravenou newtonovskou dynamiku, aby ukázal její soulad s obecnou teorií relativity Alberta Einsteina, která uvádí, že tato gravitace má schopnost odklánět světelné paprsky, což byla myšlenka prokázáno před pouhým stoletím při zatmění Slunce v roce 1919 je dnes známé jako „gravitační čočka“.

Přibližně ve stejnou dobu americký astronom Edwin Hubble upozornil na názor svých kolegů, že blízké skupiny plynových mraků jsou ve skutečnosti vzdálenější galaxie. Na základě Hubbleova objevu ukázali další astronomové existenci větších galaktických struktur, nyní nazývaných kupy galaxií, které mají schopnost působit jako silné čočky a výrazně odklánět světelné paprsky. Pomocí vzorců založených na Einsteinových předpovědích lze vyvodit závěr o hmotnosti kosmických čoček. Na základě tohoto druhu matematických vzorců mnoho fyziků použilo gravitační čočky jako argument pro existenci temné hmoty. Bekenstein však ukázal, že alespoň některá provedená měření čoček lze vysvětlit také obecnou relativitou a upravenou newtonovskou dynamikou.

I tehdy byly tyto myšlenky formulovány jen částečně. Ve skutečnosti Milgrom a Bekenstein přesně nevěděli, které fyzikální procesy jsou schopné vytvořit upravený gravitační zákon.

Upravená newtonovská dynamika do značné míry postrádala základy, ale to se změnilo před několika lety, když nizozemský fyzik Erik Verlinde začal vyvíjet teorii zvanou emergentní gravitace, která vysvětluje, proč se gravitace mění. Podle Verlinde gravitace, včetně modifikované newtonovské dynamiky, vzniká jako jakýsi termodynamický efekt související se zvýšením entropie nebo destrukcí řádu. Jeho myšlenky jsou také založeny na kvantové fyzice, protože časoprostor a hmotu v něm vidí jako deriváty propojeného proudu kvantových částic. Když je časoprostor zakřivený, vzniká gravitace, a pokud k tomuto zakřivení dojde určitým způsobem, pak to vytváří iluzi existence temné hmoty.

Verlindeův výzkum stále vyžaduje další rozpracování. Například například zatím není jasné, jak lze ve struktuře raného vesmíru vnímat upravenou nebo vznikající gravitaci, odlišnou od reliktního záření, které zbylo po Velkém třesku. Astrofyzici použili vesmírné teleskopy k zaznamenání tohoto záření v neuvěřitelných detailech, ale dosud nebyli schopni vytvořit model bez temné hmoty, který by nebyl v rozporu s těmito měřeními. "Tato myšlenka nově vznikající gravitace nemůže konkurovat," říká Verlinde, ale postupem času by se podle jeho názoru mohla stát skutečnou alternativou temné hmoty.

***

Předpovědi se také dělají v rámci teorií o temné hmotě: pokud tato forma hmoty existuje, pak se mnoho subatomárních částic temné hmoty musí často prohnat naší sluneční soustavou, Zemí a dokonce někdy i našimi vlastními těly. Pokud ale skutečně existuje obrovské množství temné hmoty, která obaluje každou galaxii ve vesmíru a zůstává s touto neviditelnou a nepostřehnutelnou, pak v tomto případě tyto unikající malé částice pravděpodobně nebudou interagovat s normální hmotou tak, jak bychom všichni mohli si všimli. V tomto případě se detekce temné hmoty stává extrémně obtížným úkolem.

Zatímco astrofyzici nadále upřeně hleděli na oblohu, částiční fyzici se také pokusili osvětlit temnou hmotu generováním pravděpodobných částic v jejich urychlovačích, včetně velkého hadronového urychlovače v Ženevě ve Švýcarsku. Aby se vytvořily podmínky, které existovaly během Velkého třesku, v těchto urychlovačích na sebe částice narážejí velmi vysokou rychlostí, a to se děje tak, že se v částech energie tvoří nové částice. Tyto částice pak musí projít řadou detektorů, které fyzikům umožní jejich identifikaci.

S pomocí Large Hadron Collider a jeho předchůdců (včetně urychlovače ve Fermiho laboratoři - Fermilab - východně od Chicaga) byli vědci schopni detekovat všech předpokládaných 17 částic pomocí „standardního modelu“částicové fyziky, včetně všech základních síly kromě gravitační … (Vědci objevili poslední standardní částici, Higgsův boson, na Large Hadron Collider v roce 2012).

Díky dosaženému pokroku získali fyzici důvěru ve své schopnosti a doufali, že brzy objeví temnou hmotu, říká Dan Hooper, fyzik ve společnosti Fermilab, Fermi Laboratory, ve své knize Na okraji času v roce 2019.)

Zájem o temnou matku podnítil sérii experimentů příští generace, ve které Hooper a jeho kolegové doufali, že konečně objeví tyto tajemné částice. Vědci z celého světa nainstalovali pod zem detektory, často využívající opuštěné doly, v naději, že odhalí částice temné hmoty a zároveň se vyhnou kakofonickému šumu kosmických paprsků a slunečních částic, které by bombardovaly senzory na zemském povrchu. Podle vědců mohou částice temné hmoty tiše projít detektorem vyrobeným z xenonu a zanechat stopu jejich průchodu ve formě tepla. Pokud experimenty proběhnou podle plánu, pak vědci konečně odhalí částice temné hmoty a budou předzvěstí nové éry v kosmologii a jaderné fyzice.

Provedené experimenty však nepřinesly žádné pozitivní výsledky, počáteční naděje vědců se nenaplnily. Provedené experimenty ve skutečnosti nedokázaly odhalit ani náznak existence temné hmoty, ale nakonec umožnily zjistit, co temná hmota není. S každým novým experimentem existovalo více příkladů toho, co temná hmota není. Fyzici si začali uvědomovat, že pokud existují částice temné hmoty, bude velmi obtížné si jich všimnout. Situace vypadala téměř beznadějně, pokud jde o slabě interagující masivní částice (WIMP), které byly nejoblíbenějšími kandidáty na roli temné hmoty. Vědci rozšířili své hledání, ale nic nenašli. Některé týmy pokračovaly v hledání slabě interagujících masivních částic, ale po několika letech dosáhly nejzanedbatelnějších hmotnostních indikátorů, kdy by jakékoli podezřelé částice temné hmoty interagovaly s detektory, jako je tomu v případě téměř nepolapitelných neutrin pocházejících ze Slunce, jako výsledek vyhledávání slabě interagujících masivních částic byl ve skutečnosti zastaven. "S námi a naší prací bude také všemu konec." Konec hledání slabě interagujících masivních částic je již na dohled, “říká Peter Graham, teoretický fyzik na Stanfordské univerzitě v Kalifornii.

Přestože je konec hledání slabě interagujících částic velmi blízko, totéž nelze říci o lovu temné hmoty, řekl Graham. Vědci již začali řešit další možné částice, zejména axiony. Pokud existují, budou miliardkrát méně hmotné než slabě interagující masivní částice, v takovém případě jich může být obrovské množství a mohou svoji hmotnost přidat k očekávané hmotnosti temné hmoty. Existuje ještě více exotických kandidátů, jako jsou takzvaná sterilní neutrina a drobné prvotní černé díry; je to varianta masivních kompaktních halo objektů.

Někteří vědci, včetně Hoopera, navrhli existenci hypotetických částic, které jsou ovlivněny skrytými silami. Tyto tmavé částice, pokud existují, se zničí a poté se rozpadnou na jiné částice, které se mohou nějakým způsobem spojit s již známými částicemi, jako jsou Higgsovy bosony. Tuto možnost lze považovat za možnou, ale zatím nikdo nebyl schopen detekovat žádné skryté částice nebo síly.

Jak hledání temných částic nabralo na intenzitě, Milgrom zjistil, že více fyziků je připraveno řešit modifikovanou gravitaci. "Lidé nejsou úplně zklamaní, ale spíše jim vadí, že temná hmota ještě nebyla detekována," řekl. „Podle mého názoru to není nejlepší základ pro pokračování v práci na upravené newtonovské dynamice, ale jsem rád, že zájem roste.“Zatím nelze s jistotou říci, že tento zájem přispěje k rozšíření výzkumu v oblasti modifikované gravitace.

***

Stovky, ne-li tisíce astrofyziků, astronomů a jaderných fyziků studují každý aspekt temné hmoty a všechny možné vlivy na dnešní vesmír pomocí nejmodernějších počítačů, teleskopů a urychlovačů částic. Výzkum v oblasti temné hmoty po několik desetiletí přispěl ke snížení práce na modifikované gravitaci, ale to nutně neznamená, že je temná hmota jako teorie výrazně přesvědčivější. Vědci na začátku předpokládali, že existuje přirozené řešení, ostatní s ním souhlasili a váhy se naklonily v jejich prospěch.

Z dnešního pohledu se dominantní postavení temné hmoty nezdá nevyhnutelné. Procesy, kterými vědci rozvíjejí své teorie, jsou ovlivněny řadou historických a sociologických faktorů. Tento názor výmluvně vyjádřil Andrew Pickering, emeritní filozof na univerzitě v Exeteru a autor knihy Constructing Quarks, která vyšla před 36 lety, ale stále je významná.

Je také důležité věnovat pozornost tomu, kdo rozhoduje o tom, které jevy by se měly studovat, které studie dostávají velké vládní granty, které velké experimenty získávají finanční prostředky, kdo dostane příležitost vystoupit na vědeckých konferencích, kdo ví, jak dobře pracovat s médii, kdo účastní se. nejslavnějších programů a získává ocenění; a kdo bude jmenován do důležitých funkcí na univerzitách. Volby mohou někdy utvářet budoucí trajektorii vědy. A když se volby teoretiků a experimentátorů symbioticky shodují, tvrdí Pickering, může se to stát překážkou pro nově vzniklou teorii - včetně modifikované gravitace - i pro její adekvátní vnímání.

Vědecká práce není zvlášť účinná a přímá cesta k „pravdě“. Přesto nezoufejte, podle Naomi Oreskesové, historičky vědy na Harvardské univerzitě v Massachusetts a autorky knihy 2019 We We Trust Trust? (Proč věřit vědě?). I když se jednotliví vědci mohou mýlit, mají své vlastní hodnoty a cíle a někdy i své posedlosti, věda se přesto vyvíjí jako kolektivní úsilí. Vědci mohou dělat chyby, může trvat dlouho, než některá tvrzení důkladně zkontrolují a navrhnou jiná, a navíc se stane, že se zdánlivě slibný výzkumný program dostane do slepé uličky, ale postupem času se vědci postupně dostanou ke společnému názor. Obvykle to zabere hodně času, ale nakonec pochopí, který směr výzkumu by měl být opuštěn a které myšlenky by měly být dále studovány a prohlubovány.

Pokud jde o soupeření mezi temnou hmotou a modifikovanou gravitací, tento proces ještě nebyl dokončen. Temná hmota je v současné době na sestupné linii, ale kontroverze ještě neskončila. Sázky jsou vysoké, protože budoucnost kosmologie závisí na volbě astrofyziků dopředu.

Zastánci modifikované gravitace, včetně Milgroma a Verlinde, čelí vážným výzvám a teprve po vyřešení stávajících problémů budou mít skutečnou šanci rozvinout své myšlenky do smysluplné alternativy temné hmoty. Největší překážka v tomto ohledu pochází z počátku vesmíru.

Astronomové Arno Penzias a Robert Wilson v šedesátých letech zpočátku mylně interpretovali světelné interference ze svého radioteleskopu jako hluk, pravděpodobně kvůli hnízdění a padání holubů. Signál se však ukázal být skutečný a oni potvrdili svůj objev reliktních rádiových vln, které se vytvořily brzy po Velkém třesku. Poté, v 80. a 90. letech minulého století, sovětští vědci a NASA použili vlastní dalekohledy RELIKT-1 a Cobe k detekci extrémně malých výkyvů tohoto záření. John Mather a George Smoot, fyzici, kteří vedli výzkumný program v Cobe, obdrželi Nobelovu cenu za fyziku za měření těchto drobných výkyvů záření v roce 2006, což naznačuje raný rozdíl v intenzitě, který určoval, kde byla hmota ve vesmíru koncentrována a kde galaktická vznikaly struktury.

Stoupenci Mathera a Smoota dnes měří kolísání reliktního záření s velmi vysokou přesností a každá úspěšná teorie by měla poskytnout vysvětlení. Fyzici temné hmoty již ukázali, že jejich teorie je dokonale schopná vysvětlit všechny tyto malé výkyvy, ale upravená nebo nově vznikající gravitace tímto kriticky důležitým testem - zatím - neprošla. Bekenstein zemřel v roce 2015, ale jeho stoupenci se stále snaží, aby jeho upravená teorie gravitace odpovídala alespoň některým měřením, která provedl. To by byl významný skok vpřed a také přesvědčivý argument pro ty, kteří jsou skeptičtí ohledně modifikované gravitace, ale je to hrozivá výzva, kterou je ještě třeba vyřešit.

Ze všech získaných údajů jsou informace o těchto drobných výkyvech nejpřesvědčivější. Temná hmota jasně vítězí. Stovky vědců podporujících teorii temné hmoty, stejně jako velké investice do jejich výzkumných programů, si vyžádaly desítky let práce na vývoji modelů vysvětlujících získaná měření. Upravená a nově vznikající gravitace se skromnější úrovní financování je daleko za sebou, ale to neznamená, že by se od těchto konceptů mělo úplně upustit. „Podle mého názoru je nepravděpodobné, že by výsledná gravitace byla zodpovědná za jevy, které si spojujeme s temnou hmotou,“říká Hooper. „To však neznamená, že gravitace nevzniká a nemá cenu ji studovat.“

Navíc zastánci temné hmoty, včetně Whitea a Hoopera, mají vlastní vážné problémy. Obří galaxie, včetně naší vlastní, mají obvykle malý počet galaktických společníků, kteří se kolem nich točí jako satelity. Pokud mají zastánci temné hmoty pravdu, pak každá z těchto galaxií musí být vložena do obrovského shluku temné hmoty, protože částice temné hmoty a galaktické hvězdy k sobě musí být přitahovány stejnými gravitačními silami. Poslední počítačové simulace vyvinuté Whiteem a jeho kolegy však naznačují značné nesrovnalosti s pozorováním astronomů: předpovídají existenci podstatně většího množství hmoty, než se předpokládalo na základě dosud skrovných dat o objevených galaktických satelitech. Fyzici pro ně vymysleli velmi příznačný název - „problém chybějících satelitů“, protože realita zjevně nesplňuje očekávání těchto teoretiků.

V širším kosmickém měřítku se astrofyzici snaží vysvětlit pozoruhodnou nekonzistentnost, která byla nedávno prokázána: že se dnešní vesmír zdá, že se rozpíná mnohem rychleji, než tomu bylo v dětství. Fyzici věřili, že rozsah růstu (nazývají se Hubblovy konstanty) bude všude stejný, ale dnes by měli vysvětlit stávající nesrovnalosti. Vzhledem k tomu, že zastánci temné hmoty nedokáží tento záhadný jev vysvětlit, pak podle Verlinde pravděpodobně výsledná gravitace nabídne cestu vpřed.

Verlinde, Milgrom a jejich kolegové jsou stále malou menšinou, ale kosmologii prospěje, pokud se jejich počet zvýší. Na nedávné konferenci si Verlinde všimla významného posunu k uznání. "Cítil jsem, že existuje více komunikace a větší ochota diskutovat o alternativách, než tomu bylo před několika lety," říká.

Kromě teoretické práce fyzici očekávají vzhled větších a výkonnějších dalekohledů z hlediska charakteristik a také experimenty, které mohou poskytnout odpovídající výsledky. Jedná se zejména o dalekohled Large Synoptic Survey Telescope, který vzniká v suché horské oblasti severního Chile. Letos ji vědci pojmenovali Observatoř Vera Rubin a první data z ní budou k dispozici letos. Vědci, inspirovaní Rubinovou prací, se pokusí podívat se ještě dále a dále do nebe a zachytit světlo vycházející z miliard galaxií. Pokud nejsou vázáni žádným rámcem, pak jejich výzkum může osvětlit jak temnou hmotu, tak temné gravitační síly. Vzpomínka na Ruby bude i nadále podporovat zdravé diskuse o kolosálním skrytém vesmíru, který se snažíme dále zkoumat.

Ramin Skibba je astrofyzik, který se stal popularizátorem vědy žijící a pracující v San Diegu.

Doporučuje: