Aké telesá vo vesmíre považujeme za tmavé hmoty?

Vesmír je plný záhad, a jednou z najväčších je existencia tmavej hmoty. Podľa meraní tvorí až 23 percent vesmíru, zatiaľ čo známa hmota len štyri percentá. Zvyšok vesmíru, teda 73 percent, je tvorený skrytou energiou. Čo teda považujeme za tmavú hmotu a ako ju skúmame?

Na jednej strane nič, práve preto ju stále nazývame skrytou, alebo "temnou". Vieme nejaké ohraničenia toho, aké môže a nemôže mať vlastnosti, napríklad, že musí byť zložená z častíc, ktoré sú zrejme neutrálne, pretože ak by boli nabité, už by sme niečo z nich videli. Každá nabitá častica v magnetických poliach, ktoré sa všade v galaxiách nachádzajú, sa nejakým spôsobom prejaví, emituje svetlo. Takže my skôr vieme, z čoho temná hmota nemôže byť tvorená.

A hľadáme kandidátov na častice alebo energiu, ktorá by to mohla byť. Jedna z otázok, ktorú si budeme klásť pri ďalších meraniach, bude, či vidíme niečo, čo nám ukáže kandidáta, efekt, ktorý by mohol povedať, že niečo z tej temnej hmoty sa nám v meraní prejavilo a môžeme začať skúmať vlastnosti a popis.

Simulácia halo tmavej hmoty okolo galaxie.

Čierne diery ako kandidáti na tmavú hmotu

Čierne diery vyplynuli z Einsteinovej všeobecnej teórie relativity ako telesá, ktoré vlastná gravitácia alebo iná sila extrémne zmrštila. A to až natoľko, že im neunikne ani svetlo.

Čím je hviezda hustejšia a sústredená do menšej oblasti, preliačenina v priestore je stále užšia a hlbšia. Keď sa stane tak hlbokou, že pod istou kritickou hranicou z nej neunikne svetlo ani žiaden blízko letiaci objekt, stáva sa čiernou dierou. Každý objekt, ktorý spadne do čiernej diery, uviazne v tomto „priestorovom lieviku“ a odtiaľ niet návratu von.

Ak je jej hmotnosť dostatočne veľká a stlačí sa do relatívne malého polomeru, stane sa z nej čierna diera. Keď hviezda vyhasína, klesajú odstredivé sily v jej plynovom zložení a vplyvom gravitácie sa stláča. Vonkajšie vrstvy voľne padajú do centra hviezdy.

Aby sa naše Slnko zmenilo na čiernu dieru, muselo by mať polomer zhruba tri kilometre. Supermasívne čierne diery sú v strede všetkých hmotných galaxií. Prvú snímku tejto supermasívnej čiernej diery zverejnili v roku 2022.

Čierna diera v galaxii Messier 87.

Výskum pomocou supratekutého hélia

Hlavným autorom nového výskumu je slovenský fyzik Patrik Švančara, ktorý pôsobí na univerzite v Nottinghame. Patrik Švančara a jeho kolegovia vytvorili obdobný vír, aký poznáme z vane, ale na jeho tvorbu využili supratekuté hélium. V ňom uviedli supratekuté hélium do stavu kvantového tornáda a na povrchu tekutiny skúmali šírenie vĺn. Štúdia o prelomovom experimente vyšla minulý týždeň v top vedeckom časopise Nature.

Pri tejto teplote sa hélium mení na supratekutú látku s takmer nulovou viskozitou, čiže vnútorným trením. „Nám sa podarilo spojiť niekoľko desiatok tisíc takýchto kvantovaných vírov do jedného objektu.

Vzniknuté tornádo malo v priemere niekoľko milimetrov a išlo o rekordne silný vír, ktorý sa predtým v supratekutých látkach nikdy nepozoroval. Experiment ukázal, že centrálny vír fungoval ako svojho druhu zrkadlo a odrážal vlny. „Ukázali sme, že vzniknuté vlny sa v blízkosti víru správali rovnako, ako keby sa pohybovali zakriveným časopriestorom, čo nám umožňuje experimentálne skúmať procesy v okolí rotujúcich čiernych dier,“ hovorí vedec.

Experiment so supratekutým héliom.

Čo je temná hmota a temná energia?

Štandardný model a hľadanie nových častíc

Štandardný model je v súčasnosti platná teória, ktorej žiadne naše meranie neodporuje. Tam sú kvarky základné stavebné kamene a teória nepredpokladá, že by mali nejakú štruktúru alebo že by v stavbe hmoty existovalo niečo hlbšie. História nás ale učí, že v tomto vedeckom bádaní štruktúry hmoty si nemôžeme povedať, že sme už na najspodnejšej úrovni.

Aj keď Štandardný model neodporuje žiadnym doteraz uskutočneným meraniam, to ešte neznamená, že sa v istý moment nenájde meranie, ktoré poukáže buď na nejakú jeho nedostatočnosť alebo priamo na existenciu niečoho, čo tento model popísať nevie. Stále môžeme hovoriť len o súčasnej úrovni našich vedomostí a v nej si hmotu skladáme z kvarkov, elektrónov, pozitrónov, fotónov, teda častíc, ktoré istú dobu poznáme a považujeme za elementárne. Čo bude ďalej, uvidíme.

Základné interakcie a ich vplyv

V časticovej fyzike pod základnými interakciami rozumieme spôsoby, akými elementárne častice interagujú medzi sebou. Interakciu považujeme za základnú, ak sa nedá opísať pomocou iných interakcií. Sú známe štyri základné interakcie, všetky sú bezkontaktné, a to sú elektromagnetizmus, silná interakcia, slabá interakcia a gravitácia.

Dnes sú známe štyri základné interakcie alebo sily : gravitácia, elektromagnetizmus, slabá interakcia a silná interakcia. Ich sila a správanie sa značne odlišujú a sú popísané v tabuľke nižšie. Moderná fyzika sa pokúša vysvetliť každý pozorovaný fyzikálny jav pomocou týchto základných interakcií.

Interakcia	Sila (relatívna)	Dosah	Nositeľ častice
Silná interakcia	1	~10^-15 m	Gluón
Elektromagnetizmus	10^-2	∞	Fotón
Slabá interakcia	10^-13	~10^-18 m	W a Z bozóny
Gravitácia	10^-42	∞	Gravitón (hypotetický)

Gravitácia je ďaleko najslabšia zo štyroch interakcií. V časticovej fyzike je preto vždy ignorovaná. To, že je tak slabá môžeme demonštrovať jednoduchým pripnutím sponky na magnet. Napriek tomu, že elektromagnetizmus je omnoho silnejší ako gravitácia, pri veľkých nebeských telesách ako planéty, hviezdy a galaxie elektrostatická príťažlivosť nie je relevantná.