BOSS hledí do nebes

Kdyby za 100 miliard let ještě existovala Země (což nejspíš nebude), její nebe by se možná černalo děsivou prázdnotou, porušenou jediným eliptickým oblakem hvězd. Všechny galaxie by zmizely za kosmickým horizontem kromě jediného útvaru, který vznikne splynutím naší Mléčné dráhy, blízké galaxie Andromeda a několika menších galaxií z blízkého okolí. Během vzájemné srážky Andromedy s Mléčnou dráhou (začne asi za tři miliardy let), bude Slunce možná vymrštěno za hranice nově se rodícího hvězdného ostrova, proto je v této vizi většina oblohy naprosto prázdná.

Zda je nepříliš povzbudivý nástin budoucnosti reálný, závisí na jedné důležité věci: na povaze záhadné temné energie, která urychluje rozpínání vesmíru.

Stínítko pro dalekohled

Na dveřích do kanceláře visí mléčně bílý, lehce vypouklý disk se stovkami drobných teček. Trochu připomíná kryt stropního světla posetý mušinci. Jsme v jedné z budov slavné Lawrence Berkely National Laboratory, výzkumného komplexu rozkládajícího se v kopcích lemujících z východu Sanfranciskou zátoku, ale záhadný předmět, dnes již pouhý artefakt, byl ještě nedávno na jiném místě Ameriky – „zdobil“ dalekohled na observatoři Apache Point v Novém Mexiku. Je to jeden z hliníkových krytů, které dalekohledu umožňují odstínit vše ostatní a pozorovat pouze konkrétní galaxie vzdálené miliardy světelných let.

Každý ze stovek zdánlivých „mušinců“ na stínítku je totiž ve skutečnosti malou dírkou pro pozorování jedné z nich. Podobných disků vyrábějí vědci tisíce, ručně do nich v přesně vypočtených místech vrtají malé otvůrky a do nich zavádějí optická vlákna, která světlo přicházející z dalekého hvězdného ostrova přivádějí do speciálního CCD čipu, který jej zaznamená.

Tato neuvěřitelně piplavá práce, jejíž automatizace se teprve chystá, je součástí mnohaletého širšího projektu známého jako Sloan Sky Digital Survey (Sloanova digitální přehlídka oblohy). Jeho hlavním smyslem je získat spektra, světelné „otisky prstů“ vzdálených objektů ve vesmíru. Data lze využít různým způsobem a ten, který si zvolili v laboratoři v Berkeley, patří k těm nejzajímavějším: zdejší vědci se snaží co nejpodrobněji prozkoumat způsob, jakým se vesmír rozpíná. Chtějí tak odhalit povahu temné energie, záhadného fluida, o jehož existenci jsme se dozvěděli teprve zhruba před patnácti lety.

Pátá jsoucnost

Už od dob Edwina Hubblea, déle než 80 roků, víme, že se vesmír 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. Dříve se ale zdálo pravděpodobné, že rychlost expanze nastartované před necelými 14 miliardami let velkým třeskem kvůli vzájemné přitažlivosti hmoty postupně klesá. Čím déle vesmír expanduje, tím pomalejší rozpínání je.

Nedávno se však ukázalo něco jiného: Dva týmy vědců, z nichž jeden částečně působí právě v laboratoři v Berkeley, v roce 1998 zveřejnily výsledky mnohaletého pozorování určitého typu supernov - vybuchujících hvězd, které na několik týdnů přezáří celou galaxii, v níž se nacházejí. Supernovy, tzv. standardní svíčky, se jevily slabší, než měly, jako by je i s jejich galaxiemi strhávala neznámá síla a unášela je od nás pryč stále rychleji. Znamenalo to, že rozpínání vesmíru v rozporu se zdravím rozumem akceleruje. Jako by se kámen vržený vzhůru hnal k obloze vyšší a vyšší rychlostí. Objev, který později potvrdila řada dalších měření, svým autorům loni přinesl Nobelovu cenu za fyziku.

Jaká je tedy podstata záhadného fluida, které urychluje expanzi? Jednou z možností je, že temná energie pramení z vakua. To totiž vůbec není prázdné, připomíná vroucí kvantovou polévku, z níž vyskakují virtuální páry částic a antičástic. Vakuum může fungovat jako natažená guma - vyvíjí záporný tlak, který má antigravitační účinek a bleskově „nafukuje“ prostor a s ním i vesmír. Energii není třeba dodávat, vesmír jako by vznikl vznikal „z ničeho“. V tomto pojetí je temná energie neoddělitelnou vlastností prostoru: v určitém objemu je konstantní a v čase se nemění. Proto, a také z historických důvodů souvisejících s jedním dávným Einsteinovým omylem se jí říká kosmologická konstanta.

Podle jiné teorie temná energie nepochází z vakua, je projevem neznámého pole vyplňujícího vesmír. Jak se vesmír bude stále dál rozpínat, pole bude řídnout a temná energie s postupujícím časem zeslábne. Temné energii se tu říká kvintesence, z latinského quinta essentia, pátá jsoucnost. Je to odkaz na Aristotela, který ke čtyřem sublunárním živlům (ohni, vodě, zemi a vzduchu) přidal živel pátý, nebeský.

Další možné vysvětlení pak spočívá v tom, že temná energie je pouhou iluzí povstávající z faktu, že nesprávně rozumíme gravitaci. Einsteinova obecná teorie relativity, teorie gravitace, není dokonalá a třeba ji zpřesnit.

Einstein se zřejmě nemýlil

Vědci z Berkeley se snaží mezi jednotlivými možnostmi rozlišit pomocí metody BOSS - Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (spektroskopický průzkum baryonové oscilace). Spočívá v přesném měření geometrie kosmu. Nevychází z pozorování „standardních svíček“, supernov, u nichž není zcela jasné, zda v minulosti přece jen nezářily jinak než dnes, což by zkreslilo výsledky. Vychází z pozorování galaxií.

Pomocí zmíněného teleskopu v Novém Mexiku jich chtějí vědci z Berkeley do roku 2014 prozkoumat půldruhého milionu. U každé změří posuv barevných čar ve spektru, který je mírou rozpínání vesmíru. Vzdálenost a tím i stáří dalekého hvězdného ostrova pak určí pomocí „standardního pravítka“, zvláštní pravidelnosti v rozložení galaxií vtištěné do podoby kosmu 380 tisíc let po velkém třesku, kdy se ze žhavé „polévky“ volně poletujících částic zrodily první atomy.

Výsledkem by měla být představa o tom, jak rychle se kosmos rozpínal v různých dobách, konkrétně v kritickém období před zhruba pěti až sedmi miliardami let. Tehdy vesmír „zařadil vyšší rychlost“ – převládla v něm temná energie a expanze se začala zrychlovat. Jde o to zjistit, zda charakter rozpínání odpovídá kosmologické konstantě nebo něčemu jinému. Jako kdybychom hleděli do minulosti na sebe sama coby dospívajícího adolescenta a pokoušeli se změřit, zda rosteme přesně podle lékařských tabulek nebo zda se naše tělo vyvíjí nějak anomálně. Pomůže nám to zmapovat zákonitosti růstu a z nich usoudit na charakter síly, která jej pohání.

Dosavadní, zatím předběžné výsledky naznačují, že se Einstein v obecné teorii relativity nemýlil, gravitaci rozumíme správně. Temná energie je tedy realitou a zdá se, že má charakter kosmologické konstanty. Znamenalo by to, že se temná energie nebude v budoucnu měnit, vesmír se bude rozpínat stále rychleji a téměř vše nakonec zmizí za kosmickým horizontem, jak je naznačeno v úvodu.

Na konečné závěry je však ještě brzy. „Kosmologie je mladá věda a právě teď přichází její zlatý věk. Začíná získávat obrovské množství dat,“ vysvětluje Beth Reidová, účastnice projektu BOSS z laboratoře v Berkeley. Až projekt v roce 2014 skončí, bude se připravovat nový, ještě přesnější a rozsáhlejší. Pod názvem Big BOSS by měl začít do roku 2020.

Přesto je podle některých vědců možné, že se podstatu temné energie odhalit nakonec nepodaří. Rozdíl mezi kosmologickou konstantou a kvintesencí se možná v kosmu zatím projevil tak nepatrně, že mezi oběma možnostmi nepodaří rozlišit ani těmi nejdokonalejšími metodami.

Jak souvisí kosmologická konstanta s podivnou představou, že náš vesmír není jediný, ale pouze jedním z mnoha? Čtěte rubriku Téma v aktuálním čísle Respektu.

Více o výsledcích projektu BOSS čtěte také např. zde.