Nobelovu cenu dostal průzkumník temné strany kosmu

Vesmír je díky jejich objevům záhadnější, ale zároveň přátelštější. Tak by se dal stručně charakterizovat příspěvek trojice vědců, kteří letos získali Nobelovu cenu za fyziku. Američan James Peebles ji dostal za dlouholetý příspěvek k převratným objevům v kosmologii, Švýcaři Michel Mayor a Didier Queloz pak za objev první planety u hvězdy podobné Slunci, s nímž přišli v roce 1995. Od té doby se podařilo objevit více než 4000 exoplanet, z nichž řada může skrývat život a některé mohou být i obyvatelné pro člověka.

Objev nějaké exoplanety plní nicméně média téměř každý týden, zatímco o skryté povaze kosmu se pro složitost tohoto tématu příliš nepíše. Věnujme se proto Jamesi Peeblesovi, jednomu z vědců, díky nimž se náš pohled na vesmír v minulém století radikálně změnil.

Vlnky na hladině

Ještě v prvních dvou dekádách 20. století se většina astronomů domnívala, že vesmír je neměnný, stálý, věčný a vše, co se v něm nachází, je naše vlastní galaxie – Mléčná dráha. Byl to i laikům srozumitelný obrázek, který ještě kolem roku 1920 zpochybňoval jen málokdo. Jedním z prvních, kdo si povšiml, že něco není v pořádku, byl Albert Einstein, jenž v roce 1916 zformuloval obecnou teorii relativity. Díky ní si uvědomil, že věčný vesmír, nemající počátek a nesměřující ke konci, by nehybným ve skutečnosti nemohl zůstat, musel by se začít hroutit.

Hvězdy se totiž navzájem přitahují, působí na sebe svojí gravitací, a po určité době by se proto veškerá hmota musela soustředit v relativně malém objemu. Aby vesmíru zabránil v tak nerozumném chování, přidal Einstein do rovnic obecné relativity takzvanou kosmologickou konstantu; člen, jenž udržoval kosmos v neměnném stavu. Reprezentovala antigravitační sílu, která se na malých vzdálenostech neprojevuje, ale napříč kosmem působí proti přitažlivosti hmoty a nedovolí vesmíru, aby „spáchal sebevraždu“ smrštěním. Einsteinovi se nelíbilo, že musel svou teorii takto vyspravit, ale neviděl ale jinou možnost, jak uvést své výsledky do souladu s tehdejšími představami.

Ve dvacátých letech ovšem astronom Edwin Hubble zjistil, že vesmír stálý a neměnný není: rozpíná podobně jako moučník, který kyne v troubě. Každá z rozinek uvnitř moučníku se vzdaluje od všech ostatních a podobně se od sebe vzdalují skupiny galaxií v kosmu. Einstein pak začal pokládat kosmologickou konstantu za svůj největší vědecký omyl – jenže možná předčasně. Konstanta slavila triumfální návrat v 80. letech a jedním z badatelů, kteří se o to zasloužili, byl právě James Peebles.

Už v roce 1948 předpověděla trojice amerických vědců včetně ruského emigranta George Gamowa, že pokud je pravdivá teorie, podle níž byl na počátku všeho velký třesk, měl by být vesmír vyplněn mikrovlnným zářením, které je jakýmsi dosvitem žhavé koule této počáteční kataklyzmatické události. V 60. letech bylo toto tzv. reliktní záření náhodou objeveno a začátkem 90. let přinesla americká družice COBE konečný důkaz, později potvrzený z dalších satelitů. Měření, o nichž mnozí hovoří jako o vědecké události tisíciletí, přesvědčivě ukázala, že vše v kosmu bylo kdysi stlačeným plynem žhavějším než jádro Slunce.

Objev zároveň odstartoval novou éru v kosmologii. Záření je totiž zlatým dolem obsahující fosilní otisky téměř všeho, co kosmologové chtějí vědět: Jak přesně je vesmír starý? Jaký osud jej čeká? Kolik v něm existuje hmoty a energie? Odpovědi nabízí studium drobných odchylek v reliktním záření, podobných vlnkám na zdánlivě hladké hladině oceánu, jež umožňují nahlédnout do událostí krátce po vzniku kosmu.

A vůdčí postavou tohoto úsilí byl právě James Peebles. Spolu s dalšími kosmology vypočítal, kolik je ve vesmíru hmoty a energie. Jenže se zároveň ukázalo, že naprostá většina – jak dnes víme, 95 procent – celkové hmoty a energie je neviditelných a vůbec nevíme, kde se skrývá.

Záhada vlasů Bereniky

První náznaky toho, že by v kosmu mohla existovat neviditelná hmota, se objevily již v roce 1933, kdy švýcarský astronom Fritz Zwicky pozoroval kupu galaxií Coma v souhvězdí Vlasy Bereniky. Zjistil, že se v ní jednotlivé galaxie (jsou jich tisíce a jde o jedno z nejhustších uskupení těchto „hvězdných ostrovů“ ve vesmíru) pohybují prostorem tak rychle, že kupu musí držet pohromadě gravitace neviditelné hmoty, jinak by se rozpadla.

Tuto krajně nepravděpodobnou představu oživily v sedmdesátých letech pozorování a výpočty americké astronomky Very Rubin. Povšimla si, že působení záhadné neviditelné hmoty se projevuje i uvnitř jednotlivých spirálních galaxií. Hvězdy, nacházející se dále od jádra galaxie, by kolem něj teoreticky měly obíhat pomaleji, podobně jako Pluto obíhá kolem Slunce pomaleji než Země. Ukázalo se však, že to neplatí, hvězdy se od určité vzdálenosti od jádra řítí prostorem zhruba stejnou rychlostí bez ohledu na svoji polohu. Nebýt působení skryté hmoty, rozlétly by se do všech stran.

Co tuto hmotu tvoří, dodnes netušíme. V roce 1982 James Peebles navrhl, že může jít o takzvanou studenou temnou hmotu. Ta se skládá z poměrně těžkých částic, které se pohybují výrazně pomaleji než světlo - a jen velmi slabě interagují s běžnou hmotou i se sebou navzájem. Jinými slovy, prakticky si nevšímají světa kolem sebe, projevují se v něm téměř výhradně gravitací. Jsou ale i jiné možnosti a Peeblesova teorie zatím nebyla potvrzena.

Navíc to byla jen část záhady. Kosmologové se stále nemohli dopočítat celkového množství hmoty a energie, která by ve vesmíru měla být – sama temná hmota „manko“ pokrýt nedokázala, naopak. I s ní vědě pořád ještě scházela většina kosmu, plných 69 procent. Do hry se znovu vložil James Peebles a nabídl radikální řešení. V roce 1984 byl jedním z vědců, kteří vrátili do hry Einsteinovu kosmologickou konstantu, která může reprezentovat energii prázdného prostoru. Byla nazvána temnou energií a označena za klíč k záhadě; za ono cosi, jež může skrývat zbývajících 69 procent hmoty a energie v kosmu.

Dotek neznáma

Prvních čtrnáct let poté, co se jí začali astrofyzici zaobírat, byla ovšem temná energie jen teorie - trik, který umožnil pokrýt zbytek katastrofálního vesmírného manka. V roce 1998 nicméně vyšlo najevo, že místo toho, aby gravitace galaxií expanzi kosmu zpomalovala, ve skutečnosti se vesmír v současnosti rozpíná stále rychleji, jako by se kámen vržený vzhůru hnal k obloze vyšší a vyšší rychlostí. Prokázalo to studium určitého typu vzdálených vybuchujících hvězd, supernov. Něco jiného než běžná hmota musí tedy v kosmu působit jako antigravitace a jeho rozpínání urychlovat. Odpověď byla nasnadě: temná energie.

Její podstatu ovšem dál neznáme, stejně jako podstatu temné hmoty. Obojí zůstává jedněmi z největších tajemství současného světa. Temnou hmotu ani temnou energii nevidíme, projevují se jen vlivem na své okolí – jedna drží galaxie pohromadě, druhá je naopak žene od sebe. Jaká tajemství skrývá tato temná strana vesmíru? Jaká dosud neznámá fyzika se tu projevuje? Nevíme, ovšem James Peebles je jedním z vědců, díky nimž jsme se o existenci temné strany kosmu vůbec dozvěděli.