Průvodce největšími záhadami současné astronomie

Než se pustím do výčtu záhad v moderní astronomii, ráda bych vysvětlila co to vlastně taková astronomická záhada je. Pojem záhada totiž neznamená jen nějaký úkaz nebo jev, který zatím neumíme vysvětlit, ale patří sem i jevy a úkazy, které umíme vysvětlit jen z části, popřípadě, pro které existuje více logických či matematických nebo pozorovacích vysvětlení.

Svého průvodce jsem se rozhodla rozdělit do dvou bloků, které částečně vycházejí z předchozího popisu slova záhada.

V prvním bloku budou záhady, o nichž toho už dost víme, často pro ně vzniklo více teorií, ale žádná z nich neodpovídá na všechny otázky.

V druhém bloku budou doposud uspokojivě nebo vůbec nevysvětlené záhady, o jejichž existenci víme na základě pozorování nebo jsou řešením některých teorií.

K jednotlivým záhadám si pak dovolím kurzívou vložit svůj názor na věc.

BLOK I.

1) Vznik vesmíru

Ve dvacátém století se objevili dvě teorie, které popisovali vznik vesmíru (tedy pokud nevezmeme v úvahu tu jež praví, že vše stvořil Bůh – i když teorie Velkého třesku tuto možnost vlastně nevylučuje).

Starší a dnes již zavrhovaná teorie považuje vesmír za neměnný. Podle této teorie byl vesmír v čase stále stejný. Tím se samozřejmě nemyslí, že by nevznikaly nové hvězdy a že by Země neobíhala kolem Slunce, a to kolem středu galaxie. Tím se myslí, že jeho velikost je neměnná (tedy, že se vesmír nerozpíná) a hmoty, jež vesmír obsahuje, je stále sejné množství. Tím pádem vesmír nemá svůj počátek a nebude mít ani konec. K této teorii se v první polovině dvacátého století přikláněli všichni známí astronomové včetně Alberta Einsteina, který měl díky ní velké problémy s matematickým důkazem své teorie relativity, protože jeho rovnice nedávaly stacionární řešení. Nakonec tedy zavedl tzv. kosmologickou konstantu, díky které vzniklo stacionární řešení.

Druhá teorie je dnes širokou veřejností přijímána za fakt a jen málo kdo si uvědomuje, že se stále jedná o teorii, která nezodpovídá všechny otázky.

Jde o teorii velkého třesku, která vznikla na základě několika pozorovaných faktů, které vyvrátili předchozí teorii stacionárního vesmíru.

Prvním takovým faktem bylo pozorování a výpočty, které učinil Edwin Hubble. Hubble na základě rudého posunu mezi galaxiemi a zjistil tak, že se od nás vzdalují rychlostmi přímo úměrnými vzdálenosti od Země.

Dalším faktem bylo, že teorie velkého třesku předpověděla takzvaného reliktního záření, jež je zvláštní druh mikrovlnného záření, které mělo přicházet ze všech směrů. Toto záření náhodně objevili dva vědci v roce 1964.

Další důkazem je Einsteinova teorie relativity, která rozpínající se vesmír po odstranění kosmologické konstanty podporovala.

A jak vlastně tato teorie vypadá?

Podle této teorie byla na začátku všeho tzv. singularita. Tedy nekonečně malý bod, ve kterém byla obrovská hustota (hustota celého vesmíru). Tento bod je tedy počátkem našeho vesmíru a od okamžiku jeho výbuchu (velkého třesku) se v našem vesmíru začal počítat i čas. Od tohoto okamžiku se začal tvořit a rozpínat vesmír až do podoby jak ji známe dnes.

Vědci tvrdí, že od okamžiku singularity uplynulo něco okolo 13,7 miliard let.

Tak jako každá teorie má i teorie velkého třesku své problémy. Já zde uvedu jen tu, na níž zatím neznáme byť teoretickou odpověď:

Baryonova asymetrie.

Když byl vesmír velmi mladý, bylo v něm téměř stejně velké množství antihmoty a hmoty. Nicméně podle dnešních pozorování víme, že antihmoty je dnes nesrovnatelně menší množství než hmoty. Do dnes se nepodařilo přijít na to kdy v historii vesmíru a hlavně jak došlo k tomuto úbytku

Některými dalšími problémy této teorie rozeberu v dalších řádcích své práce neb jsou sami součástí záhad vesmíru. Je to např. temná hmota a temná energie či dokonce konec vesmíru.

Mě osobně na teorii velkého třesku vadí singularita. Představa nekonečně malého bodu s téměř nekonečně velkou hustotou se mi nelíbí a nechápu, jak ji někdo může přijmout za fakt. Netvrdím, že dnešní vesmír nevznikl z jediného místa a že se nerozpíná (i když o té rychlosti rozpínání si také myslím své  - to ale rozeberu později), ale mnohem více si dokážu představit, že náš vesmír vnikl nějakou malou puklinou, skrze níž unikla hmota z jiného vesmíru nebo dimenze.

2) Konec vesmíru

Pokud připustíme, že vesmír vznikl, pak se musíme smířit s myšlenkou, že někdy také vesmír skončí. Všechny teoretické konce vesmíru, které dnes připouštíme, jsou odvozeny od vzniku vesmíru Velkým třeskem. Ve své práci se budu věnovat pouze dvěma možným koncům vesmíru neb ty jsou dnes nejvíce přijímané.

Pokud by čtenář mé práce měl zájem dozvědět se o dalších teoriích zániku vesmíru nechť mne kontaktuje sovou a já mu o nich něco ráda napíši.

a)      Teorie velkého krachu.

Tato teorie počítá s tím, že neustále rozpínání vesmíru jednoho dne skončí a vše se zase začne stále rychleji smršťovat zpět do jediného bodu a do singularity. Na základě posledních měření však tato teorie spíše upadá, neb počítá s tím, že se rozpínání vesmíru zpomaluje, ale v dnes se vědci přiklání spíše k názoru, že se rozpínání vesmíru zrychluje. Nicméně nedávno jsem četla článek dánských astronomů kde pomocí nových výpočtů a rovnic za přijetí možnosti, že částice se mohou měnit (fyzikální zákony částic) a za pomoci změny Higgsova pole u Higgsovy částice někde v kosmu. Kdy by pak došlo k tomu, že od zmíněného bodu by se rychlostí světla rozšířila do vesmíru nová rovnice, která by měnila hmotnost částic, tak, že by se vše v okamžiku přijmutí hroutilo do sebe až by vše nakonec skončilo v opět v jednom bodě.

b)      Teorie tepelného konce.

Tato teorie počítá s tím, že se vesmír rozpíná, a klidně se i může rozpínat rychleji. Nakonec se galaxie od sebe vzdálí tak neuvěřitelně daleko, že již nebude šance na interakci s jinou galaxií. Hvězdy v nich budou postupem času zanikat a až nakonec nezbyde jediná. Černé díry se postupně vypaří a vesmír se tak postupem času stane naprosto pustým a chladným místem.

Osobně se přikláním více k druhé teorii, která se může zdát nudnějším koncem všeho, ale podle mě realističtějším a pravděpodobnějším.

3) Černá díra

O černých děrách toho víme již hodně. Díky Einsteinovi víme, že by měli existovat. A na základě gravitačních pozorování v okolí černých děr víme, že existují, i když je nikdo nikdy neviděl a také neuvidí neb černé díry nelze vidět, protože gravitace v nich je tak silná, že z nich ani světlo neunikne.

Víme také, že černé díry vznikají z obřích hvězd. Když jejich palivo vyhoří, hvězda se zhroutí a exploduje. Jestliže se zhroutí hvězda o hmotnosti alespoň pětadvacetinásobku našeho Slunce, vznikne černá díra.

Dnes už také víme, že ve středu každé galaxie včetně té naší je jedna supermasivní černá díra, okolo které se celá galaxie točí a která postupně požírá hmotu a hvězdy kolem sebe.

Na základě některých pozorování a teorií na toto pozorování navázané také víme, co se zhruba děje na okraji černé díry před horizontem událostí, což je pomyslný bod nebo kruh kolem černé díry, za jehož hranicí neunikne ani světlo.

Zdálo by se tedy, že vše o černé díře je objasněno, ale ve skutečnosti to tak není. Nevíme nic o tom, co se děje za horizontem událostí a kam všechna ta hmota mizí. Podle některých teorií mizí opět do malé singularity, tedy opět nekonečně malého bodu s obrovskou hustotou.

Díky tomu, že nevíme co se děje uvnitř černé díry, tak vlastně ani nevíme co vlastně je černá díra zač. Víme jen, jak může, vniknou a kde ji můžeme najít a jak působí na své okolí. Nic víc nic míň.

Pro mě osobně jsou černé díry jakési brány do jiných vesmírů. Představa toho, že skrze ně se hmota z našeho vesmíru dostává do jiného vesmíru a možná tak někde vzniká nový vesmír, mi opět přijde logičtější než singularita.

4) Magnetar místo černé díry

Magnetar je neutronová hvězda, která má extrémně silné magnetické pole. Odhaduje se, že asi jedna desetina neutronových hvězd nebo pulsarů končí jako magnetar. Na magnetaru samotném už dnes není nic tak záhadného, tedy až na jeden magnetar v hvězdokupě Westerlund 1 v 16 tisíc světelných let vzdáleném souhvězdí Oltáře. Právě tam byl totiž nalezen magnetar u něhož se odhaduje, že původní hvězda byla 40x hmotnější než naše Slunce.

Když uvážíme obecně uznávaný astronomický názor, který jsem uvedla už v předchozím bodě u vzniku černých děr, že hvězdy zhruba 20x hmotnější než Slunce končí jako černé díry. Je záhada na světě.

V tuto chvíli existuje jen jedno teoretické vysvětlení této záhady:

Původní hvězda mohla být dvojhvězdnou. Menší těleso pak před zhroucením svého souputníka obralo o část hmoty. A tak obr v okamžiku zhroucení měl už jen zlomek původní hmoty, který už nestačil na vytvoření černé díry.

To je pěkné vysvětlení, zdá se. Až na to, že obr by musel ztratit cca 2/3 z původní hmotnosti. A kde je ta druhá hvězda, která by sama byla nyní obrem, to už se ve studii nepíše.

BLOK II.

1) Hygsův boson

Koncem minulého století byl vypracován model, jež popisuje vlastnosti a chování částic, které tvoří hmotu, z níž je sestaven svět okolo nás. Model také popisuje proces, při kterém se předává mezi částicemi energie, hybnost či jiné fyzikální veličiny nebo dochází k přeměně částic (interakce mezi částicemi). Této model se nazývá standartní model částic.

Podle modelu existují 4 druhy interakcí:

-        Gravitační – nejslabší ze všech (kvůli nízkým hmotnostem částic)

-        Slabá jaderná

-        Elektromagnetická

-        Silná jaderná

Částice hmoty pak rozdělujeme podle toho, jaké interakce na ně působí:

-        Leptony – působí na ně pouze slabá interakce, a v pokud mají elektrický náboj tak i elektromagnetická (např. elektron)

-        Kvarky – působí na ně všechny známé interakce. Díky silné interakci nemohou být kvarky o samotě a musí se shlukovat do složitějších útvarů (například kombince třech kvarků nazýváme baryonem, mezi nějž patří i proton a neutron)

Další věcí, jež je potřeba vědět před popisem samotného higgsova bosonu je popis fyzikální symetrie. Symetrie ve fyzice jsou vlastnosti, které se při transformaci (změně) nemění.

Někde jsem narazila na zajímavé a pěkné přirovnání. Je to jako by měl člověk v ruce dvojhlavou kartu – pokud ji otočí o 180° tedy vzhůru nohama, zjistí, že její vzhled se nemění.

Symetrie jsou spojeny se zákony zachování některých fyzikálních veličin:

-        Zákon zachování energie říká, že se fyzikální zákonitosti nemění, jestliže je budeme určovat v čase - symetrie spojená s posunem na časové ose

-        Zákon zachování hybnosti říká, že se fyzikální zákonitosti nemění, jestliže se přesuneme z jednoho místa prostoru na druhé - symetrie vůči posunutí (translaci)

Kromě výše zmíněných symetrií a zákonů zachování, se ve fyzice vyskytuje řada transformací jiných fyzikálních veličin a tedy i symetrií. Jednou z velmi důležitých symetrií, které se objevují při popisu interakcí mezi částicemi, je kalibrační symetrie, která popisuje takovou vlastnost, kdy se měřitelné veličiny nezmění při změně funkce, která je popisuje, o stejnou konstantu (případně násobek) ve všech bodech. Asi nemá cenu úplně do detailu popisovat a vysvětlovat kalibrační symetrii jen je důležité vědět, že to celé vede k existenci částic s nulovou klidovou hmotností. Jedná se o fotony, které zprostředkují elektromagnetickou a slabou interakci.

A nyní přejdu k samotnému popisu modelu:

Kvarky jsou drženy silnými interakcemi v baryonech a mezonech. Nejlehčími baryony jsou proton a neutron, které tvoří atomová jádra, ve kterých je pohromadě drží jaderná síla (další projev silné interakce). Atomová jádra svým elektrickým nábojem daným počtem protonů drží pomocí elektromagnetické interakce nejlehčí nabité leptony - elektrony. Nyní získáváme atomy a ty se díky molekulárním vazbám mohou vázat do molekul. Molekulární síly zprostředkované výměnou elektronů jsou projevem elektromagnetické interakce. Zde se dostáváme do chemie, biologie atd. Slabá inerakce umožňuje přeměnu jednoho kvarku na jiný nebo jednoho leptonu na jiný a je například zodpovědná za rozpad beta jader, tj. za radioaktivitu beta.

A konečně k Higgsově bosonu:

Při hledání společného popisu elektromagnetické a slabé interakce bylo třeba vysvětlit obrovský rozdíl v dosahu elektromagnetické (velice velký dosah) a slabé interakce (velmi krátký dosah). Vědci při tom zjistili, že v případě popisu slabé interakce se kalibrační symetrie narušuje. Peter Higgs zjistil, že, tento jev (spontánním narušením symetrie) zákonitě vede ke vzniku nového pole i nové neutrální částice se spinem (hybností) 0, která byla podle něho nazvána Higgsovým bosonem. Důsledkem existence Higgsova pole je navíc to, že některé z částic zprostředkujících elektroslabé interakce, které měly původně nulové klidové hmotnosti, velmi výrazně ztěžknou a jimi způsobovaná interakce má tak požadovaný velmi krátký dosah.

Víme tedy, že Higgsův boson existuje a víme, jak se projevuje, ale ještě se nám nepodařilo ho objevit a tak není standartní model částic kompletní.

Někdo by mohl říct mnoho humbuku pro nic.  Ale tak to podle mě není. Já osobně považuji Higgsův boson za velice důležitý, a proto jsem mu ve své práci věnovala takovou pozornost a prostor. Pokud se nám podaří ho nalézt, budeme mít konečně ucelený popis interakce mezi částicemi a po jeho prozkoumání se možná něco málo více dozvíme o konci nebo vzniku vesmíru neb ve fyzice a tím pádem i astronomii a tedy i všude kolem nás, všechno souvisí se vším. Pokud se čtenář mé práce vrátí o několik odstavců zpět, a znovu si přečte nové poznatky v teorii velkého krachu, možná nyní pochopí více souvislostí a dá mi za pravdu v mém popisu důležitosti Higgsova bosonu.

2) Temná hmota

Jak už název této hmoty napovídá, jedná se o hmotu, kterou nelze spatřit. Stejně jako u černých děr i zde jsme se o skutečné existenci temné hmoty dozvěděli až na základě pozorování. A to jen díky tomu, že částice této hmoty mají nějakou hmotnost, která zkresluje světlo, které skrze hmotu prochází. Dle četnosti tohoto zkreslení ve vesmíru nyní odhadujeme, že temná hmota tvoří cca 23% obsahu vesmíru.

Na rozdíl od černé díry, ale o temné hmotě nevíme skoro nic. Víme jen to, že asi existuje. Ale ve skutečnosti se vůbec nemusí jednat o hmotu, tak jak ji známe dnes.

V současné době existuje několik teorií, co by mohla temná hmota být (z čeho by se mohla skládat) avšak doposud se nepodařilo žádnou z nich alespoň trochu potvrdit.

3) Temná energie

Jestli existuje něco záhadnějšího než temná hmota, pak je to temná energie.

Složení vesmíru tak jak ho vnímáme dnes je takové, že hmota, tak jak ji známe, tedy veškeré hvězdy a planety včetně mlhovin tvoří přibližně 4% celkového obsahu vesmíru. Této hmotě se někdy říká baryonová hmota, protože baryony jsou nejtěžší částice látky. Z těchto 4%, pak pouhá jedna čtvrtina tvoří svítící hmotu (převážně hvězdy).

Dalších 23% vesmíru tvoří v předešlém bodě zmíněná temná hmota.

Zbylých 73% vesmíru tvoří temná energie. Vyplňuje tedy celý vesmír a v prostoru a čase se nemění nebo jen velmi málo. Právě této energii se přisoudilo, že je zodpovědná za rozpínání vesmíru. S největší pravděpodobností tato energie nemá materiální povahu a jde spíše o vlastnost časoprostoru jako takového. Bohužel to je vše co o temné energii víme nebo spíše co si myslíme, že víme.

V minulém století zavedl Albert Einstein do svých výpočtů takzvanou kosmologickou konstantu, proto aby ve svých rovnicích zachoval statičnost vesmíru. Později, poté co Edwi Hubble prokázal, že se vesmír rozpíná, tuto konstantu zrušil, a prohlásil ji za největší omyl svého života.

Od chvíle kdy jsem se dozvěděla o temné hmotě a temné energii si říkám. A co když největší omyl Einstenova života nebyla konstanta, ale její zrušení. Co když ona konstanta udává jen to, jak moc temná energie a temná hmota zkreslují světlo které se k nám skrze ně šíří…

Co by to znamenalo. Především to, že by se vesmír nerozpínal. Jednotlivé galaxie jsou v pohybu, některé se od sebe vzdalují a některé se k sobě přibližují, a to by zůstalo, ale vesmír by se nerozpínal. Pokud bychom se vrátili k tomuto zjištění, co by to znamenalo pro teorii velkého třesku a mnohé další teorie, které staví na velkém třesku? A jak potom vysvětlit všechny ty důkazy díky kterým jsme tak moc přijali teorii o velkém třesku? A jak tedy skončí vesmír? A jak vlastně vznikl? A vznikl vůbec?

4) Temný proud

Aby toho temného nebylo málo, tak vědci v roce 2008 přišli na základě výsledků tříletého pozorování sondy WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), která pozorovala záření uvnitř kup galaxií na zajímavý objev. Mnohé kupy galaxií se pohybují rychlostí minimálně 600 km za sekundu ve směru k relativně malému kousku bodu v souhvězdí kentaura.

Něco takového je v rozporu se standardními modely. Pohyb galaxií by totiž měl být ve všech směrech náhodný, což se v tomto případě neděje. Dnes o 6 let později stále nevím co je temný proud zač, tedy co způsobuje, že se kupy galaxií pohybují jedním směrem. Problém je hlavně v tom, že nevíme, co galaxie táhne v před. Někteří odborníci mluví o podivně zašmodrchaném prostoročasu z pradávných dob kolem vzniku našeho vesmíru, jiní mluví o působení paralelního vesmíru.

Těžko říct jaký klíč se skrývá za touto záhadou. Jisté je jen to, že jde o další důkaz toho kolik toho o vesmíru kolem nás vlastně nevíme.

5) Vznik života

Ač se to nemusí na první pohled zdát i záhada vzniku života patří do astronomie. Nebo přinejmenším do biochemické astronomie a samozřejmě také do geologie, filosofie atd... Dnes již víme, z čeho se skládá naše tělo, z čeho se skládají ostatní živočichové i rostliny, dokonce víme, jak to všechno funguje. Také přijímáme evoluční teorii a tak víme, že jsme se na naší planetě mnoho stovek tisíců let vyvíjeli, ale co do dnes nevíme je, jak to všechno začalo. Co byl ten zlom, kdy se z neživé látky stala živá buňka. To je to na co dnešní vědci hledají řešení a stále jsou bez odpovědi. I když teorií je celá řada, ale žádná z nich přesně nepopisuje, jak došlo k vytvoření první živé buňky.

KRÁTKÝ ZÁVĚR:

Co říci na závěr? Ve své práci jsem se snažila každou záhadu vysvětlit a přiblížit i těm čtenářům, kteří nejsou v astronomii kovaní. Přesto jsem se v některých bodech nevyhnula zahýbání do podrobností, tak snad mi to nekovaní čtenáři prominou. Myslím, že zadání práce se mi podařilo splnit a můj průvodce obsahuje velké záhady moderní astronomie. Nicméně se sluší říct, že v práci zmíněné záhady nejsou jediné, které máme. Vesmír je veliký a krásný a stejně tak jsou krásné a početné záhady, které jsme v něm objevili a které na naše objevení ještě čekají.