Vědci se již téměř sto let snaží zjistit, z čeho temná hmota vlastně sestává. Japonští fyzikové nyní tvrdí, že našli důkazy o temné hmotě v datech z vesmíru. Odborníci jsou opatrní, ale zájem je značný.
Až 85 % hmoty v kosmu je „temné“: vykazuje se pouze prostřednictvím své gravitace, ale na rozdíl od běžné hmoty nevysílá žádné záření. Existuje však malá výjimka: Když se dosud nejasné částice temné hmoty srazí, mohou se vzájemně anihilovat a při tom vyprodukovat vysoce energetické gama záření.
Japonský astrofyzik Tomonori Totani nyní zachytil nadměrné množství gama záření z haly Mléčné dráhy, které odpovídá teoretickým předpovědím této takzvané anihilační radiace. Podle vědce by částice temné hmoty měly mít přibližně 500násobek hmotnosti protonů, jak uvedl v odborném časopise „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics“.
„Bylo by to poprvé, co bychom tak nějak viděli temnou hmotu,“ vysvětluje Totani, který pracuje na Tokijské univerzitě. „A ukázalo by to, že temná hmota se skládá z částic, které nejsou obsaženy ve standardním modelu fyziky.“ Tento standardní model zahrnuje všechny známé elementární částice a popisuje, jak spolu interagují.
Avšak existuje mezera: Gravitace, která hraje klíčovou roli ve vesmíru, není zahrnuta. Pokusy o zahrnutí gravitace vždy přinášejí další částice – po kterých celosvětově pátrají velká urychlovačová zařízení. Doposud však bez úspěchu.
Vyřešení jednoho z velkých záhad astronomie?
Takové dosud neznámé částice by mohly vyřešit jedno z velkých tajemství astronomie – právě temnou hmotu. Již ve 30. letech 20. století narazil švýcarský astronom Fritz Zwicky při zkoumání skupiny galaxií Coma na podivný jev: galaxie se pohybovaly příliš rychle. Gravitace veškeré hmoty v této skupině by nedokázala udržet galaxie při tak vysokých rychlostech – skupina by se musela rychle rozpadnout. Avšak nebyly žádné známky rozpadnutí.
Zwicky tedy dospěl k závěru, že v této galaxijní skupině musí existovat velké množství neviditelné hmoty. Tuto hypotetickou složku nazval „temná hmota“ a nejprve si on a jeho kolegové mysleli na vyhaslé hvězdy nebo nezářící prachové oblaky. Avšak během desetiletí výzkumu se ukázalo, že nemůže jít o běžnou hmotu. Také měření kosmického mikrovlnného pozadí nakonec ukázala, že 85 % hmoty v kosmu musí sestávat z dosud neznámých částic.
Mezi odborníky se diskutuje o řadě kandidátů s různými vlastnostmi, přičemž zejména se zmiňují takzvané WIMPy, slabě interagující hmotné částice. Tyto částice mají pro fyziky zajímavou vlastnost: Když se dvě z nich srazí, vzájemně se ničují a uvolňuje se záření. Různé projekty hledaly toto záření v oblastech s vysokou energií – a před patnácti lety se vědci skutečně zdáli být úspěšní.
Snímky z gama satelitu Fermi, který byl spuštěn v roce 2008, ukázaly záření z centra Mléčné dráhy, které bylo zprvu interpretováno jako anihilační záření temné hmoty. Avšak radost byla předčasná: Vědci brzy zjistili, že toto záření lze také vysvětlit neutronovými hvězdami – a v galaktickém centru pravděpodobně existuje mnoho takových hvězd.
Totani z toho vyvodil ponaučení. Svoji pátrání po klíčovém záření omezil na oblasti na obloze, kde by mělo být jen málo neutronových hvězd. Využil data ze širokoúhlého teleskopu LAT od Fermi, aby prozkoumal gama záření z haly Mléčné dráhy, odlehlé jak od jejího centra, tak od její hvězdné desky.
Existuje temná hmota?
Pečlivě modeloval Totani všechny známé zdroje vysoce energetického záření, tyto odsednul od naměřené radiace – a dostal se k malému, ale významnému nadbytku. Tento gama nadbytek pokrývá energický rozsah od dvou do 200 gigaelektronvoltů a vykazuje jasný vrchol při 20 gigaelektronvoltech. A takovou energetickou distribuci byste očekávali právě pro vzájemnou anihilaci WIMPs, které jsou 500krát těžší než protony, elektricky nabité stavební prvky atomových jader.
Je tedy možné, že tentokrát skutečně vidíme temnou hmotu? Totani již před publikací prezentoval své výsledky na několika konferencích svým kolegům. Protože má dobré jméno jak teoretického kosmologa, tak praktika pro analýzu velkých dat, vzbudil jeho výzkum velký zájem. Přesto se odborná obec chová opatrně – nakonec již jednou došlo k předčasné radosti v galaktickém centru. Totani také opatrně mluví pouze o „možném“ důkazu temné hmoty.
Nyní musí jiná výzkumná uskupení nejprve nezávisle reprodukovat jeho výsledky. Ale i pokud se nadbytek gama záření potvrdí, zůstává možnost, že dosud přehlédnuté astrofyzikální jevy by mohly tuto radiaci generovat. „Signál z haly sám o sobě neznamená jednoznačný důkaz temné hmoty,“ zdůrazňuje Totani.
Doporučuje proto, aby se zejména v trpasličích galaxiích hledalo po tomto gama záření. Vzhledem k tomu, že podmínky tam jsou zcela odlišné než v Mléčné dráze, byl by podle jeho názoru důkaz stejného druhu gama záření zásadním ukazatelem toho, že pochází z částic temné hmoty.
