Zahlavi

Temnou hmotu by mohly tvořit temné fotony, naznačuje nová vědecká hypotéza

22. 12. 2022

Temná hmota, která tvoří významnou část vesmíru, zůstává pro odborníky stále záhadou. Je totiž neviditelná. Hypotéza publikovaná mezinárodním týmem v časopise Physical Review Letters naznačuje, že by se mohla skládat z ultralehkých temných fotonů, které vesmír zahřívaly. Výsledky studie se zakládají na datech ze spektrografu COS (Cosmic Origin Spectrograph) umístěném na palubě Hubbleova vesmírného dalekohledu.

Hubbleův vesmírný dalekohled měří kosmickou síť, složité a tenké pavučiny vláken, která vyplňují prostor mezi galaxiemi. Data shromážděná týmem vědců z Itálie, Spojených států, Británie a Izraele pomocí spektrografu COS naznačují, že kosmická mezigalaktická vlákna jsou žhavější, než se dosud předpokládalo. Temné fotony by byly schopné přeměnit se na nízkofrekvenční fotony a kosmickou síť ohřívat, předpokládají vědci. Stávají se tak nadějným kandidátem na tvorbu temné hmoty.

Spektrograf COS je univerzální přístroj, kterým lze pozorovat spektra nejrůznějších astronomických objektů. K jeho hlavním úkolům patří pozorování velkoškálové struktury vesmíru. V tomto případě detekoval plyn vesmírných vláken ve světle velmi vzdálených kvasarů – akrečních disků kolem obřích černých děr ve středech galaxií.

„Když světlo vzdáleného kvazaru letí směrem k nám, prochází přes vesmírná vlákna a ta jeho část v určité vlnové délce pohltí. Vzniknou takzvané absorpční čáry. Různá vlákna se vůči nám pohybují různou rychlostí díky expanzi vesmíru, a výsledkem je tedy soustava čar, které se také někdy říká les. V tomto konkrétním případě šlo o čáru vodíku Lyman-alfa, odtud tedy Lyman-alfa les,“ vysvětluje vedoucí oddělení galaxií a planetárních soustav Richard Wünsch z Astronomického ústavu AV ČR. Šířka absorpčních čar přímo souvisí s teplotou nebo vnitřními pohyby plynu ve vláknech a díky tomu mohla být teplota vláken změřena.

shutterstock_337137236(1)
Hubbleův vesmírný dalekohled vynesl na oběžnou dráhu Země v roce 1990 raketoplán Discovery.

Temné fotony jsou nadějným kandidátem
Temné fotony jsou tak nové hypotetické částice, které jsou nosiči nové síly v temné hmotě, stejně jako jsou běžné fotony nosičem síly elektromagnetické, uvádí se ve studii. Na rozdíl od fotonů běžných mohou však temné fotony mít hmotu. Především ultralehké temné fotony jsou podle autorského týmu dobrými kandidáty pro „materiál“ tvořící temnou hmotu.

Rovněž podle názoru Richarda Wünsche jsou temné fotony jedním z nadějnějších kandidátů. Studie řeší problém s pozorováním vláken, ze kterých se skládá vesmír na velkých škálách. Galaxie jsou soustředěny podél těchto vláken, která se skládají především z temné hmoty a obsahují také velmi řídký mezigalaktický plyn.

„Pozorování ukazují, že plyn je o něco teplejší, než předpovídají modely vývoje vesmíru a tato práce navrhuje, že by mohlo jít o zahřívání díky interakci mezigalaktického plynu s temnými fotony. Autoři výpočtem ukazují, že tato interakce by zvýšila teplotu vláken tak, že by byla ve shodě s pozorováním, což je velmi zajímavé. Na druhou stranu, byly navrženy i jiné, méně exotické mechanismy, které by mohly teplotu vláken zvýšit,“ dodává Richard Wünsch.

499449
Mapa temné hmoty skupiny galaxií Abell 1689 v souhvězdí Panna

Co (ne)tvoří vesmír?
Gravitační síla temné hmoty je zásadním faktorem při tvarování vesmíru. Svou silou zkresluje a mění trajektorii světla vzdálených galaxií. Astronomové díky tomu mohou odhalit místa, kde se temná hmota nachází. Ve vesmíru je jí přibližně pětkrát více než té normální. Ta se nazývá baryonová, protože proton a neutron patří mezi baryony.

Podle posledních měření vesmírné observatoře Planck je současné složení vesmíru následující: 4,9 % baryonová hmota, 26,8 % temná hmota a 68,3 % temná energie. „Poměry složek se ale během vývoje vesmíru mění, v minulosti bylo temné energie méně, a naopak byl důležitější příspěvek elektromagnetického záření, jehož současná hmotnost je zanedbatelná,“ upozorňuje astrofyzik Richard Wünsch.

Temná hmota se pravděpodobně neskládá z baryonů. „Kdyby jich bylo více než současných přibližně pět procent hmoty vesmíru, vzniklo by jaderným hořením v raném vesmíru více helia, než pozorujeme,“ vysvětluje Richard Wünsch. Kandidáty na temnou hmotu jsou tedy různé hypotetické částice. „Kromě temných fotonů například axiony, jejichž existence by navíc vyřešila určité další problémy ve fyzice mikrosvěta nebo takzvané slabě interagující hmotné částice, jejichž existenci předpovídají určitá rozšíření standardního modelu mikrosvěta.“

 

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock (2); NASA/ESA/D. Coe

Licence Creative Commons  Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také