Temná hmota gravitace kosmologie astrofyzika

Reprodukce článku z listu Le Monde ze dne 17. března 2000

Pokud temná hmota zakřivuje světlo, pak skutečně existuje.

Deformace obrázků vzdálených galaxií dokazuje existenci obrovských neviditelných objektů. Už několik let se astronomové snaží prokázat existenci temné hmoty (90 % hmoty ve vesmíru). Bylo navrženo mnoho hypotéz, které by mohly vysvětlit povahu tohoto prostředí, které uniká pozorování dalekohledy: hmotné objekty (hnědé trpaslíky) a elementární částice (neutrina). Ale žádná z těchto hypotéz nevyhovuje. Proto se předpokládá, že tato hmota může být složena z teoretických částic, které ještě nebyly objeveny. Astronomové jsou jednoznační: 90 % hmoty vesmíru uniká pozorování jejich dalekohledů. Na snímcích se objevují pouze galaxie a miliardy hvězd, které je tvoří, temné nebo jasné mlhoviny rozptýlené po obloze a obrovské výbuchy energie, jejichž mechanismus produkce není zcela pochopen (...). Díky pokrokům ve technologii se otevřely nové okna v infračerveném, ultrafialovém, rentgenovém a gama záření. Nedávno se astronomové přidali k astrofyzice neutrin, krátkodobých částic, které by mohly podstatně přispívat k hmotnosti vesmíru. ...Ale teoretici dobře vědí, že i přes toto, zásadní část vesmíru uniká astronomické komunitě, která nemůže být spokojená pouze s omezeným experimentálním polem – 10 % celku –, které jí je nabídnuto. Proto se od mnoha let snaží prokázat existenci této slavné temné hmoty, hlavní složky našeho vesmíru. Tým z Pařížského ústavu astrofyziky, spojený s francouzskými astronomi (CEA Saclay, Kanadsko-francouzsko-havajský dalekohled CFHT a Laboratoř kosmické astronomie v Marseille) a zahraničními vědci (Kanada, Německo, Spojené státy), právě otevřel okno do tohoto světa. Krátce před ním pracovala britská skupina pod vedením Richarda Ellis (Cambridge a Caltech) a americká tým vedoucí Tyson (Bell Labs, New Jersey), jejíž výsledky částečně potvrzují tyto objevy.

Jak se vědcům podařilo překonat neviditelnost a potvrdit existenci temné hmoty? Použitím principu, který říká, že světlo se zakřivuje v blízkosti obrovské hmoty (Slunce, galaktické jádro) pod vlivem gravitace. Tato hypotéza byla již mnohokrát ověřena. Ale astronomové se ptali, zda by stejný efekt mohl být pozorován i u temné hmoty, která má být málo hustá a přitom přítomná v obrovském množství. Pokud by tomu tak bylo, tato tmavá hmota by svou přítomnost prozradila, aniž by se dala vidět. „Kosmická astigmatismus“. „V roce 1991“, vysvětluje Yannick Mellier z Pařížského ústavu astrofyziky, „teorie předpovídala, že vzdálené objekty jako galaxie mohou být kvůli přítomnosti obrovských množství temné hmoty na dráze jejich světla mírně deformovány a zobrazovány jako protáhlé elipsy. Ale podle výpočtů byl tento efekt kosmického astigmatismu tak slabý, že jeho detekce byla téměř nemožná.“ Navíc v té době vědci neměli teoretický model pro ověření možných měření, ani dostatečně výkonné kamery pro jejich provedení. Od té doby byla vyvinuta kamera CFH 12K a kanadský Ludovic Van Waerbeke vyvinul vhodné nástroje pro zpracování dat pro tento výzkum. Po pěti letech analýzy přibližně 200 000 vzdálených galaxií, které byly zachyceny dalekohledem CFHT, se vědcům konečně podařilo dosáhnout cíle. Na snímcích pozadí oblohy po zpracování příslušnými algoritmy se dnes objevují stovky malých zelených elips, které jsou vlastně galaxiemi. ...Můžeme tedy usoudit, že tento jev skutečně vznikl působením gravitačního pole na světlo vyzařované galaxiemi? „Určitě“, odpovídá Yannick Mellier. „Bez hmoty na dráze světelných paprsků – tedy bez gravitačního efektu – se i eliptické galaxie zobrazí jako malé kruhové body. V opačném případě je snímek plný malých elips. Navíc gravitační efekt má tendenci uspořádat tyto galaxie. Trochu jako magnet, který uspořádá železné piliny podle směru magnetického pole.“ Neznámé částice. Přesně tyto nepatrné deformace a přesuny galaxií umožňují tvrdit, že světlo bylo odchýleno z původní dráhy filamenty rozptýlené a neviditelné hmoty. Hmota, jejíž hustota je nízká (na rozdíl od Slunce nebo galaktických skupin), ale jejíž efekty jsou přesto patrné kvůli její obrovské rozloze: 100 milionů až miliardu parseků (1 parsek je roven 3,36 světelným rokům). Pro srovnání: naše galaxie má maximální délku pouze 34 000 parseků. Na trojrozměrném modelu, který francouzský tým rekonstruoval počítačem, je tento efekt zřetelný. Během své cesty k nám se světlo neustále mění směr v blízkosti těchto filamentů, které tvoří jako by „gruzi“ ve vesmíru, který zabírají. Tato struktura vypráví historii vesmíru a odhaluje počáteční podmínky jeho vzniku. Protože temná hmota, která uniká našemu pohledu, není stejného druhu (barionového) jako hmota, ze které jsou složeny hvězdy a my sami. Podle teoretiků by měla být složena z částic – slabých (WIMPs), axionů, super-symetrických částic atd. –, které ještě nebyly objeveny. ...Nová brána se právě otevřela a astronomům se nabízí možnost ji využít. Brzy to udělají s uvedením do provozu za dva roky na CFHT kamery čtyřikrát větší, MégaCam, vyvinuté CEA Saclay. V dále ležící budoucnosti se plánuje zřízení sítě přibližně sto dalekohledů o průměru jednoho metru a vypuštění amerického satelitu Snapsat, který je věnován explozivním hvězdám (supernovám), ale může také hledat efekty temné hmoty.

Jean-François Augereau