Nové mapy z misí Euclid a JWST ukazují, že tato „neviditelná kostra“ je složitější a podivnější, než se vědci domnívali — a možná nás přiblíží k řešení jednoho z největších kosmologických paradoxů.
Neviditelná kostra vesmíru: jak víme, že temná hmota existuje
Temná hmota nikdy nebyla přímo detekována. Její existence je odvozena z gravitačních jevů, které nelze vysvětlit běžnou hmotou. K prvním zásadním pozorováním patří práce astronomky Very Rubin, která v 70. letech ukázala, že hvězdy v galaxiích rotují příliš rychle na to, aby je udržela viditelná hmota.
Pokud by neexistovalo něco, co galaxie „stahuje“ gravitačně dohromady, musely by se dávno roztrhnout.
Dnes máme tři hlavní typy důkazů:
Galaktické rotační křivky – rychlost hvězd se nezpomalí s rostoucí vzdáleností od středu (což by měla), ale zůstává téměř konstantní.
Gravitační čočky – světlo vzdálených galaxií se ohýbá více, než by umožňovala viditelná hmota.
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) – struktura drobných fluktuací v záření, které vzniklo 380 000 let po Velkém třesku, odpovídá vesmíru plnému neviditelné hmoty.
Dohromady dávají tyto metody konzistentní obraz vesmíru, kde temná hmota tvoří zhruba 85 % veškeré hmoty.
Filamenty, shluky a prázdnoty: jak vypadá skrytá kosmická síť
Díky pokročilým simulacím — například legendární Millennium Simulation nebo modernímu projektu IllustrisTNG — víme, že temná hmota vytváří kosmickou pavučinu.
Tato struktura má tři hlavní prvky:
• Filamenty
Dlouhé, téměř nekonečné mosty temné hmoty, které propojují galaxie a supershluky. V jejich nitru se rodí galaxie podobně jako kapky rosy na pavučině.
• Shluky
Oblasti se zvýšenou koncentrací temné hmoty. V nich se formují největší galaktické struktury ve vesmíru.
• Prázdnoty (voids)
Obrovské „bubliny“, které obsahují jen minimální množství hmoty.
Moderní pozorování ukazují, že tato kosmická síť není statická. Temná hmota se pohybuje, proudí a reaguje na gravitační kolize galaxií. Když se dva galaktické shluky srazí, vidíme, že temná hmota projde skrz téměř nezasažena — známý příklad je Bullet Cluster, nejslavnější „fotografie“ temné hmoty.
Euclid a JWST: přístroje, které poprvé kreslí temný vesmír
Evropská mise Euclid, vypuštěná v roce 2023, má jediný cíl: vytvořit největší 3D mapu temné hmoty v historii. Dělá to pomocí tzv. slabého gravitačního čočkování — jemného zkreslení světla vzdálených galaxií, které vzniká, když světlo prochází „hrudkami“ temné hmoty.
První data ukazují:
oblasti temné hmoty jsou méně hladké a více chaotické, než se očekávalo,
malé struktury se formují dříve, než předpokládaly standardní modely,
možná existuje více typů temné hmoty (např. chladná, teplá nebo samointeragující).
Na opačné straně vesmíru mezitím JWST přináší pozorování raných galaxií, které vznikly příliš brzy po Velkém třesku — což může znamenat, že temná hmota se chovala jinak, než předpokládáme.
Obě mise společně umožňují porovnat teoretické simulace se skutečností. A právě tato konfrontace teorie a pozorování přináší největší překvapení.
Co když temná hmota není částice? Hledáme novou fyziku
Desítky experimentů se pokoušely detekovat temnou hmotu přímo, zejména v podobě WIMPů (slabě interagujících masivních částic). Ale výsledky jsou zatím nulové.
To vede některé fyziky k novým hypotézám:
• Axiony
Extrémně lehké částice, které by mohly tvořit obrovská, vlnová pole.
Detekce axionů probíhá pomocí supravodivých magnetů a rezonátorů (ADMX, CAST).
• Temná hmota se samointerakcí
Mohla by se „třít“ sama o sebe, což by vysvětlovalo pozorované nesrovnalosti v galaktických jádrech.
• Modifikovaná gravitace (MOND, TeVeS)
Někteří fyzici tvrdí, že nevidíme chybějící hmotu, ale nesprávné chápání gravitace na velkých škálách.
Tato teorie je ale méně přijímaná, protože nedokáže dobře vysvětlit gravitační čočky.
• Temné sektory
Možná existuje „temná verze“ částicového standardního modelu — temné fotony, temné baryony, temné síly.
Všechny teorie sdílí jednu pointu:
temná hmota nemusí být jediná věc. Může to být celé nové fyzikální prostředí.
Temná hmota a Temná energie: dvě záhady, jeden problém
Temná hmota je gravitační „lepidlo“.
Temná energie je naproti tomu síla, která zrychluje rozpínání vesmíru.
Obě jsou neviditelné, neinteragují se světlem a obě tvoří většinu kosmu.
Je možné, že jde o projevy jednoho hlubšího fenoménu — například o modifikaci geometrie časoprostoru nebo struktury vakua.
Euclid i další pozemní observatoře (DESI, LSST/Vera Rubin Observatory) zkoumají, zda:
fluktuace temné hmoty a energie jsou propojené,
temná energie je skutečně konstantní, nebo časově proměnná,
existují odchylky od Einsteinovy obecné relativity.
Pokud se ukáže, že temná energie se v čase mění, budeme muset přepsat moderní kosmologii.
Tajemství, které nevidíme
Temná hmota je jedním z nejzásadnějších tajemství současné vědy. Nevidíme ji, ale bez ní by vesmír nedával smysl.
Moderní pozorování — od Bullet Clusteru po Euclid — ukazují, že temná hmota není homogenní, ale tvoří dynamickou, komplexní síť, která řídí strukturu kosmu.
Zůstává otázka:
Co vlastně temná hmota je?
Částice? Pole? Nový typ fyziky?
Ať už je odpověď jakákoli, posune naše chápání vesmíru stejně dramaticky, jako kdysi Einstein nebo kvantová mechanika. Vědci očekávají, že příští dekáda přinese největší průlom ve fyzice od objevu Higgsova bosonu.
A to už chce opravdu silnou žárovku.
Zdroje:
Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970). Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Astrophysical Journal, 159, 379–403.
Clowe, D., et al. (2006). A direct empirical proof of the existence of dark matter. Astrophysical Journal Letters, 648, L109–L113.
Springel, V., et al. (2005). Simulations of the formation, evolution and clustering of galaxies and quasars. Nature, 435, 629–636. https://doi.org/10.1038/nature03597
ESA Euclid Collaboration (2024). Euclid early results: Weak lensing and dark matter mapping. Astronomy & Astrophysics.
Hu, W., & Dodelson, S. (2002). Cosmic Microwave Background Anisotropies. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 40, 171–216.
Bertone, G., Hooper, D., & Silk, J. (2005). Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. Physics Reports, 405(5–6). https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.08.031
Clowe, D., Randall, S., & Markevitch, M. (2007). The Bullet Cluster and dark matter. Nuclear Physics B Proceedings Supplements, 173, 28–31.