Kapitola 1

Úvod

1.4 Kosmologie a temná hmota/energie

Kosmologie je vědecký obor, který se zabývá vznikem, vývojem a strukturou vesmíru jako celku. Soudobé představy o vzniku a vývoji vesmíru jsou schematicky znázorněný na obr. 1.4.

Obrázek 1.4: Schematické znázornění vzniku, rozpínání a části pozorovatelného vesmíru dle současných představ velkého třesku, inflace a zrychlené expanze. Z celého vesmíru vnímáme jen jeho nepatrnou část, a to ještě pohledem do minulosti. Proto je jeho pozorováním velmi obtížné posoudit, jaký náš vesmír doopravdy je (nyní a teď), i jaký bude.

Podrobné a souhrnné informace o kosmologii je možno nalézt například v [18].

Podle většiny současných představ je hlavní silou, která se účastní na formování vesmíru gravitace. Většina kosmologických modelů dále vychází z představy, že vesmír vznikl tzv. „velikým třeskem“ před asi 13,77 miliardami let. V té chvíli neexistoval rozdíl mezi makro – a mikrosvětem, který známe dnes – vlastnosti vesmíru byly dané chováním částic v něm obsažených.

Krátce po svém vzniku došlo (podle současných teoretických modelových představ) k jevu, který se nazývá inflace – raný vesmír se ve zlomku sekundy prudce rozepnul a vyrovnal veškeré své časoprostorové záhyby natolik, že dle dosavadních pozorování zůstávají dva rovnoběžné paprsky při pohybu vesmírem stále rovnoběžné – bez ohledu na to, jak velkou vzdálenost v prostoru a čase proběhly. Hmotné objekty pak způsobují zakřivení časoprostoru v jejich okolí, a toto zakřivení je zdrojem gravitačního působení mezi hmotnými objekty.

Asi 379 tisíc let poté ([18], strana 237), došlo s poklesem teploty (pod 3000 K) spojeným s rozpínáním vesmíru ke spojování elektronů a jader a k formování prvních atomů. Díky tomu prudce poklesl počet volných elektronů, rozptylujících elektromagnetická kvanta. Díky tomu se vesmír stal „průhledným“ pro veškeré záření, které se dále mohlo vyvíjet nezávisle na hmotě. To je dnes pozorováno jako reliktní mikrovlnné záření, přicházející z vesmíru ze všech směrů.

Teplota reliktního záření se stále snižuje s rozpínáním vesmíru (charakterizuje tedy jeho velikost). S použitím modelové představy záření absolutně černého tělesa mu dnes můžeme na základě měření přiřadit teplotu kolem 2,73 K.

Od té doby se (dle současného stavu poznání) vesmír při neustálém rozpínání postupně formoval do podoby, ve kterém jej známe dnes.

V našem pozorování nyní vypadá ve všech směrech téměř stejně a ve větších měřítkách je v něm hmota rozložena homogenně. Z našeho pozorování vesmíru (přičemž pozorovat můžeme jen jeho nepatrnou část) lze usuzovat na jeho geometrii, ale z pozice vnitřního pozorovatele nevíme vůbec nic o jeho celkové topologii (tvaru a prostorovém uspořádání, zkroucení či zakřivení vesmírného prostoru jako celku). Také nevíme, jak je náš vesmír jako celek veliký, ani zda je konečný či nekonečný.

Náš vesmír se rozpíná a objekty v něm se navzájem vzdalují. Je to analogické jako tečky na pouťovém balónku, který nafukujeme. Platí zde známý Hubbleův zákon ve tvaru (např. [18], strana 25):

v = Hr      (1.2)

kde v je rychlost vzdalování, H je Hubbleova konstanta a r je vzdálenost příslušné galaxie. Rovnice (1.2) nám říká, že čím je některý objekt dále od nás, tím rychleji se vzdaluje. Dnes nejstarší (a tedy i nejvzdálenější) nalezený objekt je galaxie GN-z11 (publikováno v roce 2016, [19]), kterou můžeme pozorovat ve stavu pred 13,4 miliardami let (asi 400 mil. let po velkém třesku). Tato galaxie se od nás v našem pozorování vzdaluje (= tehdy vzdalovala) rychlostí blížící se rychlosti světla (cca. 295 000 km.s−1). Zároveň je pozorováno, že se v ní tvoří (= tehdy tvořily) nové hvězdy asi 20x rychleji, než v Mléčné dráze [19].

Astronomická pozorování jsou zde omezena i tím, že díky rudému posuvu se záření vzdálených objektů posouvá z optického do infračerveného spektra, což omezuje možnosti jejich detekce. Zásadní je ale to, že v pozorovatelném vesmíru nemůžeme vidět objekty, které se od nás vzdalují rychlostí vyšší, než je rychlost světla. Takovéto objekty s nejvyšší pravděpodobností existují (díky rozpínání se v dostatečné vzdálenosti od sebe mohou objekty navzájem vzdalovat rychleji, než je rychlost světla), ale nejsou pro nás vnímatelné. Mluvíme zde o horizontu událostí, za který nevidíme.

Až do konce minulého století se předpokládalo, že pozorované rozpínání vesmíru je postupně brzděno gravitačním přitahováním, a spekulovalo se o tom, zda jednou gravitace převládne nad rozpínáním a vesmír se opet smrští do jediné singularity.

V roce 1998 však bylo pozorováním supernov explodujících ve vzdálených galaxiích zjištěno, že jsou od nás ve skutečnosti dále (zářily méně), než by odpovídalo jejich rudému posunu (za což byla v roce 2011 udělena Nobelova cena [20]). Zdá se, že expanze vesmíru se od okamžiku jeho výbuchu zrychlila a odsunula je dále, než by vyplývalo z měření rudého posuvu jejich spektra.

Toto vedlo k zásadnímu přehodnocení dosavadních kosmologických představ. Vědci předpokládají, že jde o energetický projev vakua, který působí odpuzující silou a rozepíná oblasti volného prostoru. Tuto odpudivou sílu nazvali „temnou energií“ (viz např. [18], strana 101).

Z pozorování galaxií také vyplývá, že je drží pohromadě větší síla, než odpovídá gravitaci součtu hmoty všech hvězd v nich obsažených. Proto byl zaveden pojem „temná hmota“ (např. [18], strana 248), která je součástí každé galaxie a které by ve vesmíru mělo být mnohem více, než svítící látky.

A tak se dle dnešních pozorování zdá, že hmota hvězd a planet se na pozorovaných silových projevech vesmíru podílí pouhými 5%. Dle mnoha dnešních zdrojů připadá dalších asi 27% na temnou hmotu a 68% na temnou energii.

Pochopení temné hmoty a temné energie je jednou z největších výzev současné fyziky a zároveň jedním z největších tajemství vesmíru.

Se vší úctou k vědeckému bádání, nesmírné a nesmírně pečlivé mravenčí práci vědeckých týmů si i zde dovolíme nesouhlasit se současnými úvahami o stáří vesmíru, modelem kosmické inflace, nebo se současnou interpretací temné hmoty a energie. Pozorovaná hladkost a homogenita vesmíru, či zrychlení jeho expanze může mít, podle našeho názoru, i jiné příčiny.

Výše uvedené představuje velmi stručnou základní informaci o současném stavu vědeckého poznání a chápání mikro/makrosvěta. Pojďme se však nyní na obojí podívat očima filozofie Bytí.