Intuitivně by měla temnou hmotu přitahovat k sobě a urychlit vznik kosmických struktur. Fyzikové nyní jeden z nejjednodušších takových modelů důkladně propočítali. A zjistili, že vesmír se jejich intuici rozhodl ignorovat. Dodatečná přitažlivá síla může mít nakonec téměř opačný pozorovatelný účinek.
O temné hmotě víme hlavně podle toho, co dělá s okolím
Když astronomové sledují rotaci galaxií, pohyb galaxií v kupách nebo gravitační čočkování, běžná viditelná hmota na vysvětlení pozorovaných účinků nestačí. Standardní kosmologický model proto pracuje s temnou hmotou, která nevyzařuje světlo, ale gravitačně pomáhá vytvářet jakousi kostru, na níž během miliard let vyrůstaly galaxie a celé kupy galaxií.
Společně s temnou energií představuje temný sektor přibližně 95 procent současného hmotově-energetického obsahu vesmíru. Přesto známe jeho fyzikální podstatu jen velmi omezeně. Reliktní mikrovlnné záření například ukazuje drobné rozdíly v hustotě mladého vesmíru, z nichž se později působením gravitace vyvinula dnešní kosmická síť.
Jedna základní otázka přitom zůstává otevřená. Je gravitace skutečně jedinou silou, kterou temná hmota sama mezi sebou cítí? Žádný experiment zatím nevylučuje možnost, že odpověď zní ne.
Co kdyby měla temná hmota vlastní „pátou sílu“?
Marco Costa, Cyril Creque-Sarbinowski, Olivier Simon a Zachary Weiner se zaměřili na jednoduchý model, ve kterém mezi částicemi temné hmoty působí další dlouhodosahová přitažlivá interakce.
Běžné hmoty by se netýkala.
Elektron, atom, planeta nebo lidské tělo by ji necítily. Fungovala by pouze uvnitř takzvaného temného sektoru a přenášelo by ji velmi lehké skalární pole – nový hypotetický prostředník interakce.
Myšlenka není úplně nová. Podobné „temné síly“ fyzikové zvažují už delší dobu, protože temná hmota nemusí být pouze inertní materiál reagující na gravitaci. Mohla by mít vlastní částicovou fyziku, o níž zatím nic nevíme.
A první očekávání je téměř samozřejmé. Máte částice, které se gravitačně přitahují. Přidáte jim ještě jednu přitažlivou sílu. Měly by se shlukovat rychleji. Právě to se na první pohled také stane. Jenže fyzikální účet má ještě druhou stranu.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Temná hmota se začne shlukovat rychleji. Současně jí ale ubývá
V modelu výzkumníků není nová síla jen neviditelným provázkem přitahujícím dvě částice k sobě. Vazba na skalární pole zároveň způsobuje, že se během rozpínání vesmíru mění efektivní hmotnost částic temné hmoty. V nejjednodušším studovaném případě postupně klesá. A to vede ke dvěma protichůdným procesům.
Dodatečná přitažlivost zvyšuje relativní rozdíl mezi hustými a řídkými oblastmi. Temná hmota tedy skutečně vytváří výraznější shluky. Současně však její průměrná hustota klesá rychleji než v klasickém kosmologickém modelu, protože se mění samotná hmotnost částic.
Představme si dvě oblasti vesmíru. V jedné je temné hmoty o něco více než v druhé. Nová síla rozdíl mezi nimi skutečně zvětšuje. Pokud ale zároveň každý jednotlivý „kus“ temné hmoty postupně ztrácí efektivní hmotnost, výsledná gravitační stopa zahuštění nemusí růst tak, jak bychom očekávali. A právě to fyzikové našli.
Během éry, kdy vesmíru dominovala hmota, se v jejich minimálním modelu oba efekty přesně vyruší pro absolutní poruchy hustoty, které jsou důležité například pro gravitační čočkování. Temná hmota se relativně shlukuje rychleji. Pozorovatelná gravitační struktura ale neroste rychleji.
A potom do hry vstoupí temná energie
Kosmologický model nelze měnit izolovaně. Jakmile fyzikové upraví chování temné hmoty, musí stále vysvětlit velmi přesná měření raného vesmíru – především reliktního mikrovlnného záření.
Jeho obraz nám mimo jiné velmi přesně říká, jak velký úhel dnes na obloze zabírá charakteristická vzdálenost, kterou zvukové vlny urazily v horkém mladém vesmíru.
Pokud chtějí výzkumníci tento parametr zachovat a současně dovolí, aby se hustota temné hmoty vyvíjela novým způsobem, musí v modelu zvýšit pozdní příspěvek temné energie. A temná energie dělá přesně to, co vytváření velkých struktur příliš nepomáhá. Urychluje expanzi vesmíru.
Čím dříve začne její vliv dominovat, tím méně času a příležitostí má gravitace na další spojování hmoty do stále mohutnějších struktur.
Konečný výsledek proto zní téměř absurdně: přidání nové přitažlivé síly mezi částice temné hmoty může nakonec vést k menšímu pozorovatelnému růstu kosmických struktur. Práce proto dostala dokonale protiintuitivní název Dark forces suppress structure growth – temné síly potlačují růst struktur.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Vesmír ukazuje, proč někdy nestačí jednoduchá intuice
Na celé práci je zajímavý širší fyzikální problém. Máme tendenci představovat si novou sílu podobně jako pružinu mezi dvěma objekty: zesílíme přitažlivost, objekty se rychleji přiblíží a výsledkem bude větší shlukování. Jenže kosmologie probíhá v rozpínajícím se časoprostoru.
Nová interakce zde neovlivní pouze pohyb jednotlivých částic. Může současně změnit jejich energii, vývoj průměrné hustoty temné hmoty, historii rozpínání vesmíru a množství temné energie potřebné k tomu, aby model stále odpovídal reliktnímu záření.
Autoři dokonce upozorňují, že popis skalární temné síly pouze jako dalšího „šťouchnutí“ do trajektorie částic může být zavádějící. V relativistickém pohledu je v jejich modelu přirozenější uvažovat o proměnlivé hmotnosti částic temné hmoty.
Jedna malá změna v zákonech temného sektoru se tedy rozšíří celým kosmologickým modelem. A nakonec převrátí původní očekávání.
Znamená to, že jsme našli novou přírodní sílu?
Ne. Nová práce je především testem hypotetického modelu, nikoli detekcí nové interakce. Autoři kombinovali své výpočty mimo jiné s měřeními reliktního záření z družice Planck a s baryonovými akustickými oscilacemi z druhého souboru kosmologických výsledků projektu DESI. DESI během prvních tří let vytvořil mimořádně rozsáhlou trojrozměrnou mapu rozložení galaxií a kvasarů a jeho DR2 poskytuje velmi přesná měření historie expanze vesmíru.
V kombinovaných datech vychází mírná preference nenulové temné síly. To ale zdaleka není objev. Výsledek se mění podle statistických předpokladů, například podle volby priorů, a autoři sami jej nepovažují za důkaz existence nové interakce.
Navíc dnešní kosmologická měření neposkytují úplně jednotný obrázek. Některá pozorování slabého gravitačního čočkování galaxií naznačovala o něco méně pozdní struktury, než předpovídá model kalibrovaný reliktním zářením. Měření čočkování samotného CMB naopak v posledních analýzách preferují struktury poněkud výraznější.
Studovaný typ temné síly by mohl pomoci s prvním směrem odchylky. S druhým ale problém zhoršuje.
Ani samotný model ještě není hotový
Existuje ještě jedno podstatné omezení. Výpočty nové studie pracují především v režimu lineárního růstu kosmických struktur – tedy tam, kde jsou odchylky hustoty ještě natolik malé, že se dají dobře matematicky aproximovat.
Skutečné galaxie, kupy galaxií a hustá vlákna kosmické sítě už ovšem patří do mnohem komplikovanějšího nelineárního světa.
Autoři zatím nemají spolehlivý nelineární model, který by novou temnou sílu konzistentně zahrnoval. Právě proto například určitá přesná měření rekonstrukce gravitačního čočkování do svého odhadu parametrů vůbec nezahrnuli – mohla by vytvořit falešně silný dojem důkazu nové síly.
Dalším krokem tak budou složitější simulace. Možná ukážou, že jednoduchý model temné síly nemá s naším vesmírem nic společného. Možná bude potřeba jiná částice, jiný prostředník nebo úplně jiný mechanismus. A možná někde v těchto odchylkách skutečně leží první náznak toho, že temná hmota vede vlastní fyzikální život, který běžná hmota vůbec necítí.
Právě to činí novou práci zajímavou. Neříká nám, že jsme objevili pátou sílu. Ukazuje něco možná ještě užitečnějšího: pokud taková síla existuje, vesmír nám její účinky nemusí ukázat způsobem, který bychom intuitivně čekali.
Věděli jste, že…
…pojem „temná hmota“ neznamená, že jde o černý nebo nějak zvláštně zbarvený materiál? „Temná“ je proto, že s elektromagnetickým zářením zřejmě vůbec nebo téměř vůbec neinteraguje. Světlo tedy nevyzařuje, neodráží ani nepohlcuje způsobem, kterým bychom ji mohli běžným dalekohledem přímo spatřit. Její přítomnost dnes rekonstruujeme především prostřednictvím gravitace. Právě proto je otázka, zda má uvnitř vlastního temného sektoru ještě další interakce, tak obtížná – běžná hmota by o nich vůbec nemusela vědět.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Journal of Cosmology and Astroparticle Physics – Dark forces suppress structure growth [2], Costa, Creque-Sarbinowski, Simon & Weiner – Dark forces suppress structure growth, arXiv [3], DESI – Data Release 2 cosmology results and data products [4], ESA – Planck and the cosmic microwave background [5]. img AI generated