tmavá hmota temná hmota černá energie
- – 29. června 2001
Kongres
KDE JE HMOTA?
Během týdne 25. až 29. června 2001 se v Marseille konal mezinárodní kongres, na kterém se sešlo dvě stě účastníků, z toho sto čtyřicet přednášejících, a jehož tématem bylo „Kde je hmota?“. Byl také přidán podtitul:
Sledování světlé a tmavé hmoty pomocí nové generace velkých škálových průzkumů
Překlad:
Mapování viditelné a temné hmoty pomocí nových prostředků pro velké škálové průzkumy.
Tyto slova mají značný význam. Okamžitě umístění tohoto kongresu do určitého paradigmatu. Předpokládá se tedy, že vesmír je jeden a má dva obsahy – jeden, který je přístupný našim pozorovacím prostředkům (v rozsahu viditelného světla, ultrafialového, infračerveného, stručně řečeno tam, kde provádíme pozorování založená na elektromagnetických vlnách), a druhý, který zatím uniká tomuto typu vyšetřování a je popisován pod obecným pojmem „tmavá hmota“, anglicky „Dark Matter“. Jak provádět pozorování, jak mapovat tuto temnou hmotu? Z jedné strany na základě efektů gravitačního čočkování, které obvykle přesahují velikost, kterou lze vysvětlit pouhou přítomností viditelné hmoty – ať už jde o galaxie nebo skupiny galaxií – z druhé strany na základě kinematických parametrů pozorovaných objektů.
Už před tím, než byly prokázány tyto „neobvykle velké“ efekty gravitačního čočkování, vědci jako Fritz Zwicky na základě analýzy rotacních křivek galaxií nebo měření rychlostí pohybu galaxií ve skupinách vyvodili, že opticky detekovaná hmota nemůže zajistit kohezi těchto struktur. Pod rotacními křivkami se rozumí měření provedená na mezihvězdném plynu obíhajícím v celkovém gravitačním poli, prováděná efektem Doppler-Fizeau. Tento plyn zjevně rotuje příliš rychle, zejména na okraji (přítomnost charakteristického „plochého“ úseku). Skupiny galaxií jsou srovnávány s „hrudkami plynu“, jejichž galaxie jsou „molekulami“. „Vlastní rychlosti“ galaxií, jak je astronomové nazývají, se stávají ekvivalentem tepelných rychlostí molekul plynu – náhodně rozložených ve všech směrech. Zachováme-li tuto analogii s plynem, kombinace „tepelných rychlostí“ a hustoty dává tzv. tlak (což je míra hustoty kinetické energie pohybu na jednotku objemu). Oblak mezihvězdného plynu se nerozptyluje, protože gravitační síla vyrovnává tlakové síly, které by jej měly rozptýlit. Pokud přirovnáme skupinu tisíce galaxií k určitému „hrudkám plynu“, můžeme říci, že tlakové síly, které mají tendenci ji rozptýlit a vypočítané na základě měření rychlostí pohybu galaxií a detekované hmoty, jsou příliš velké, aby byly vyváženy gravitační silou. Jinými slovy, známe-li hmotnost skupiny, můžeme vypočítat únikovou rychlost. Jak poznamenal Zwicky, individuální rychlosti galaxií překračují únikovou rychlost skupiny, ke které patří. Pokud by neexistovala žádná další síla, tyto galaxie by již dávno opustily skupinu. Stejný problém platí i pro hvězdy v galaxiích. Otázka je tedy naprosto reálná. Rozdíl spočívá v interpretaci tohoto jevu.
Jednotnou odpovědí astronomů je nyní „tmavá hmota“, i když nikdo nebyl schopen určit, jaká by mohla být povaha této „temné hmoty“. Nicméně nikdo ani na okamžik nezpochybnil, že pozorované efekty nemohou vycházet z něčeho jiného než z přítomnosti komponenty, která zatím není pozorovatelná, ale má kladnou hmotnost a klidně existuje ve našem (jediném) vesmíru. V tomto kontextu práce na „mapování neviditelného“ již začaly. Na začátku se omezili jen na tvrzení, že v určité skupině galaxií musí existovat určitá hmota M, aby tato skupina neexplodovala, nebo což je to samé, aby byly vysvětleny silné efekty gravitačního čočkování, které vyvolává (mnohonásobné obrázky, galaxie na pozadí deformované, přičemž deformace může vést až k jejich protažení ve tvaru oblouků). Později astrofyzici, jako Albert Bosma z laboratoře pro astrofyziku v Marseille, ke které já patřím, empiricky přidali „halo“ temné hmoty neznámé povahy, aby „přizpůsobili rotacní křivky“, anglicky „fitování křivek“, což znamená metodu, kterou se snaží empiricky najít rychlostní zákony odpovídající hodnotám z pozorování. Nyní se proto několik lidí plně věnuje výpočtům rozložení hmoty v těchto neviditelných halách temné hmoty. To se nazývá „teorie nultého řádu“. Tato činnost, která nevyžaduje žádnou zvláštní odbornost, je čistě technická. Ti, kdo se jí věnují, vůbec ne chtějí poskytnout informace o povaze této „temné hmoty“, kterou empiricky mapují, a tím méně o procesech, které vedly k jejímu vzniku ve galaxiích. Neznáme-li ani povahu, ani původ tohoto komponentu, je zcela vyloučeno sestrojit „galaktickou dynamiku“. Na tomto kongresu jsem slyšel američanku, která shrnula modely, ve kterých se snaží popsat vznik galaxií (z temné chladné hmoty, anglicky „cold dark matter“ nebo „CDM“). Všechny tyto modely samozřejmě vycházejí pouze z Newtonova zákona (a obrovského počítače, který to vše spočítá). Zůstávají však málo přesvědčivé, protože bez ohledu na zavedené počáteční podmínky mají „pragalaxie“, které se tvoří, příliš malý úhlový hybnost. Jednou z otázek položených těmito „novými teoretiky“ (Newtonův zákon plus velký počítač) bylo tedy: „Odkud pochází úhlová hybnost galaxií?“ Jsme zcela na úrovni „teorií nultého řádu“, ať už jde o mapování nebo o pokusy o simulace.
Od roku 1999 astrofyzici jako Yannick Mellier a Fort, připojili se k nim další půlka tuctu týmů z různých částí světa, a publikovali výsledky šesti let práce, které odpovídají rozsáhlému programu. Pokud by ve vesmíru existovala temná hmota, zejména ve skupinách galaxií, měla by vyvolávat efekty gravitačního čočkování. Na extrémní úrovni vytvářejí téměř kaleidoskopické obrázky, jak je ukázal Hubbleův dalekohled – objekty na pozadí skupiny se rozpadají na mnoho obrázků, vytvářejí případně jeden nebo více gravitačních oblouků. Pak je zřejmé, že pokud jsou předpokládané koncentrace temné hmoty menší, vyvolávají pouze jednoduché deformace v obrazech galaxií, které jim dodávají další eliptičnost prostým optickým efektem, která se pak překrývá s jejich skutečnou eliptičností. Mellier, Fort a ti, kdo za nimi následovali, vyvinuli metodu zpracování obrázků, kdy počítač detekuje lokální anizotropie obrázků (předpokládá se, že bez efektu gravitačního čočkování hlavní osy eliptických obrázků galaxií by měly být náhodně rozloženy). Poté metoda umožňuje rekonstruovat (3D) rozložení předpokládané temné hmoty, která by mohla vytvořit takové obrázky. V roce 1999 Mellier a Fort vyvolali velký rozruch tím, že publikovali barevný perspektivní obrázek znázorňující rozložení temné hmoty v části vesmíru, odpovídající úseku oblohy o několika čtverečních stupních.
Obrázek byl publikován v novinách Le Monde a autor článku, novinář Jean-François Augereau, napsal nadpis: „Temná hmota existuje, protože zakřivuje světelné paprsky.“ Odkaz na tento článek. V té době to vypadalo velmi dojímavě a znamenalo začátek „mapování neviditelného“. Ale o rok později dal Fort (ředitel Institut d'Astrophysique de Paris, k němuž patří i Yannick Mellier) rozhovor pro časopis Ciel et Espace (červen 2000), ve kterém zmínil některé problémy, které dosud zůstaly v pozornosti nezaznamenané. Metoda vedla naše dva výzkumníky k lokalizaci dvou zvlášť významných koncentrací temné hmoty (5 × 10¹⁴ slunečních hmot, což je ekvivalent tisíce galaxií, hmotnost srovnatelná s největšími známými skupinami: skupinou Panny nebo skupinou Coma). Ale zarážející skutečností bylo, že tyto oblasti oblohy vypadaly výrazně prázdné:
Takové výsledky byly zjevně velmi nepříjemné a na začátku oba autoři je prostě přehlédli, doufajíce, že jde buď o artefakt, nebo o nový typ skupiny vyzařující v určitých frekvencích. Byly proto provedeny další pozorování ve spektrálních oblastech UV nebo infračerveného záření, která nic významného nepřinesla. Nakonec Fort a Mellier tato tělesa pojmenovali „tmavé skupiny“ (dark clusters), přičemž upřesnili, že může jít o skupiny „tvořené výhradně exotickou hmotou“, velmi zvláštní hmotou, která, i když podléhá gravitační nestabilitě, má schopnost přitahovat pouze hmotu stejného typu. V rozhovoru z roku 2000 řekl Fort, že mu je těžké uvěřit, že takový potenciální „jem“ by neměl přitáhnout nějaké galaxie, plyn nebo jiné objekty vyzařující elektromagnetické vlny. Níže je reprodukce úryvku z rozhovoru Forta.
Účastník tohoto kongresu v červnu 2001 a přednášející komunikaci („Dvojice hmoty proti temné hmotě“) jsem proto byl velmi zvědavý, co Mellier řekne na této akci. Ten začal tím, že prohlásil, že je naprosto jistý platností své metody zpracování dat. V této příležitosti znovu ukázal 3D mapu, která mu v roce 1999 zajistila celou stránku v Le Monde, potvrdil identifikaci jeho dvou „tmavých skupin“ a dodal, že od té doby objevil třetí objekt stejného druhu, stejně hmotný. Když jsem ho na tyto objekty dotázal, veřejně mi odpověděl:
- Osobně si tyto tmavé skupiny neuvěřím...
Bylo nemožné zjistit více a přiznávám, že tato odpověď mě velmi zaskočila. Buď je jeho metoda zatížena náhodnými chybami, které dosud unikly analýze, a může vyvolávat artefakty (které by odpovídaly těmto velmi zarážejícím objektům), nebo je spolehlivá a existenci těchto tří objektů vyvolává velmi znepokojivou otázku, na kterou nelze odpovědět takovým trikem. Přidejme k tomu, že od vypuštění dalekohledu provádějícího pozorování v oblasti rentgenového záření se ukázalo, že skupiny galaxií jsou velmi významnými zdroji s energií kolem 10 keV. Přiřazením tohoto záření horkému vodíku odpovídá teplota tomuto přibližně sto milionů stupňů, což odpovídá tepelné rychlosti pohybu 1400 km/s.
Podle Melliera tyto tmavé skupiny také nevyzařují rentgenové záření.
Vysvětlení tohoto chování lze najít jednoduše přečtením podtitulu tohoto kongresu, který nezanechává místo pro žádnou jinou interpretaci než pro temnou hmotu. Takové chování není výjimkou ve světě současné astronomie a astrofyziky. Uveďme příklad. Slavná Hubbleova zákona, podle které je posuv červeného spektra přímo úměrný vzdálenosti zdroje, se od dlouhé doby stala něčím jako dogmatem. Všechny zdroje musí tento zákon splňovat a ty, které by náhodou odmítly, jsou „vyloučeny“. Je známo, že Halton Arp, skutečný bránil v kruhu hledání, tvrdil, že identifikoval mnoho „neobvyklých posuvů červeného spektra“. Protože zjevně nechtěl podřídit a přiznat, že tyto „odchylky“ jsou jen chyby pozorování, byl nakonec vyloučen z pozorování svými kolegy (těmi samými, kdo rozdávají „čas pozorování“) a přesunut do New Yorku. Pokud by se konal kongres na tento téma, mohl by se zabývat pouze „průzkumy“ zaměřenými na lepší určení „Hubbleovy konstanty“. Jakýkoli výzkum, který by ukazoval anizotropii posuvu červeného spektra nebo významnou změnu známého zákona pro různé skupiny objektů nebo kvaziperiodické fluktuace ve směru, by byl považován za znepokojivý pokus nebo prostě jako práce „mimo téma“.
Když jsem se rozhodl představit komunikaci na tomto kongresu, moje kolegyně Evangelina Athanassoula, výzkumnice CNRS, pracující stejně jako já na observatoři v Marseille, tuto novinku přijala s údivem, považovala mé práce za „mimo téma“. Je to skutečně způsob, jak se na věc dívat, ale považuji ho za poměrně nenasazený (stejně jako poznámka Yannicka Melliera o jeho vlastních pracích!). Proto není divu, že práce, které mi byly přijaty k prezentaci na tomto kongresu, nevyvolaly žádný zájem ani kritiku: byly prostě „mimo téma“. V úterý 26. června 2001 jsem měl 40 kopii „dlouhé verze“ mé komunikace (43 stran) a 30 exemplářů zkrácené verze (16 stran) a rozhodl jsem se znovu vystoupit, přišel do amphiteátru, kde se konal kongres, a rozložil na stoly před začátkem prvních sekcí tyto sedmdesát dokumentů s červeným rukopisem na obálce: „Vezmi mě, přečti mě“. Všechny zmizely v batohu účastníků. Nikde jsem žádný nenašel na podlaze nebo v košíku na papír. I přes tuto novou snahu o diskuzi se nikdo z 200 účastníků nepokusil kontaktovat mě. V následujících dnech mé vystoupení během sekcí zcela selhaly. Uveďme si toto: přednášející právě ukončil „průzkum“ o obecném problému gravitačního čočkování, než jeho kolegové (včetně Melliera) představili své nejnovější výsledky. Dialog:
-
V poslední době se stále častěji mluví o možné existenci komponenty s negativní energií ve vesmíru, která je odpudivá z hlediska gravitace. Zvažovali jste efekty gravitačního čočkování vyvolané koncentracemi takových částic? Měli bychom mít co do činění s „záporným čočkováním“. Já osobně jsem popsal tento druh jevu v článku z roku 1995 v Astrophysics and Space Science.
-
V tom případě by se jednalo o prázdné místo v homogenním rozložení hmoty s kladnou energií.
-
Ne, to není o tom, co mluvím. Myslel jsem na efekty způsobené objekty s negativní energií.
-
Takže prázdná místa v hmotě s kladnou energií...
Konec diskuse s tím, že sál byl naprosto indifferentní k problému. Nakonec jsem řekl účastníkům:
- Jsme v červnu 2001. Analýza efektů gravitačního čočkování a výsledné mapování vedou k nepochopitelným objektům: „tmavým skupinám“. Dynamika galaxií „vyžaduje, aby většina jejich hmoty byla ve formě halo temné hmoty“, kterou nikdo nepozoruje a nikdo nemůže určit ani její složení, ani původ. Všechny pokusy o identifikaci této temné hmoty skončily během deseti let neúspěchem. Podobný stav je u skupin galaxií, kde poměr nespozorované hmoty k viditelné hmotě dosahuje sto. Astronomové nám předpovídají existenci černých děr o hmotnosti milionu sluncí v jádře každé galaxie, a nikdo je nevidí. Během tohoto kongresu jsme viděli kolegy, kteří nám představovali stále zjemnější obrázky popisující Velkou strukturu (VLS), velké škálovou strukturu vesmíru. Zjevně se „obraz bublin“ potvrzuje každý rok. A přesto, jak jsme viděli, nejmodernější numerické simulace založené na CDM (chladná temná hmota) vytvářejí filamentární vesmír, který se zdá mít s pozorováním nic společného. Níže je nedávný obrázek představený na kongresu.
Přesto jste viděli obrázky, které jsme vytvořili již osm let:
Tyto obrázky odpovídají pozorováním:
Jak je možné, že je naprosto nemožné navázat dialog mezi těmito dvěma proudy myšlení?
Úplná ticha.
V téže době (červen 2001) se v Blois konal kongres, na kterém teoretici fyzici zkoumali povahu nové kosmické komponenty, kterou jeden z nich nazval „černá energie“. Podle některých by tato záhadná látka, která má vlastnost odpudivosti hmoty prostřednictvím síly označované jako „antigravitační“, představovala něco mezi 65 % celkového kosmického obsahu. Proč „antigravitační“? Protože akumulace pozorování na supernovách s velkým posuvem červeného spektra se zdá potvrzovat zpomalení rozšíření vesmíru. Tento objekt dostal několik jmen. Všimněme si, že dnes, když nemohou prokázat existenci svého objektu zkoumání – buď experimentálně nebo pozorovatelsky – vědci vyrábějí... mnoho štítků. Jedno z navrhovaných jmen je:
Kvintesaence
Tento pojem je významný. „Kvintesaence“ je „pátá esence“, „pátý prvek“. Slovo pochází z alchymie, která se zakládala na popisu hmoty podle čtyř prvků: voda, oheň, vzduch, země. Takže pátý. Naše teoretická fyzika se zdá být vrácena do středověku. Ale to není nic neobvyklého. V době, kdy temnoty rostou jako olej, kdy už nikdo neví, co je co, vědci se shromažďují za různými vlajkami. Ta astrofyziků je „temná hmota“, zatímco teoretici fyzici se již nezabývají ničím jiným než supertětivami. Proto není divu, že současné vědecké kongresy připomínají shromáždění teologů kolem systémů víry.
Text naší komunikace na mezinárodním kongresu „Kde je hmota?“.