Temná hmota
Temná hmota je označení hypotetické formy hmoty. Její existence by vysvětlovala nesrovnalosti mezi některými skutečně pozorovanými a vypočítanými hodnotami. O povaze temné hmoty existuje množství teorií, většina z nich se shoduje na faktu, že temnou hmotu lze ve vesmíru pozorovat jen díky jejímu gravitačnímu vlivu na okolní objekty tvořené běžnou „svítící“ hmotou.
O existenci temné hmoty poprvé referoval už v roce 1933 švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky, který narazil na nesrovnalosti při studiu rotací galaxií. Na rozdíl od temné energie není temná hmota rozložena v prostoru rovnoměrně. Díky přitažlivé gravitaci tvoří shluky podobně jako viditelná hmota, která je k těmto shlukům také přitahována. Některé novější výzkumy ukazují, že by temná hmota přece jen mohla mít vliv na elektromagnetické záření přítomné ve vesmíru - na polarizaci mikrovlnného pozadí.
Podle posledních měření je ve vesmíru temné hmoty kolem 23 %, zatímco nám známá baryonová hmota, z níž je složena většina objektů, které můžeme přímo či nepřímo pozorovat, tvoří jen 4 %. Zbytek vesmíru 73 %, tedy největší část, tvoří takzvaná temná energie.
Malou částí temné hmoty může být i baryonová temná hmota (tzn. částice s poločíselným spinem složené ze tří kvarků). Tato hmota by měla vyzařovat nepatrné (nebo žádné) množství elektromagnetické energie. Do těchto objektů patří např. hnědí trpaslíci, nebo masivní halo objekty (MACHO). Tento typ hmoty ale přispívá jen nepatrným množstvím do celkové hmotnosti předpokládané temné hmoty. Předpokládá se, že drtivou většinu temné hmoty tvoří nebaryonová temná hmota, která není složena z atomů. Nebaryonovou temnou hmotu rozdělujeme do tří skupin: horká temná hmota (HDM), chladná temná hmota (CDM) a teplá temná hmota (WDM), přičemž jsou možné i některé její kombinace.[4]
Horká temná hmota
Má malou klidovou hmotnost a částice se pohybují ultrarelativisticky. Předpokládá se, že tento typ hmoty by mohla zprostředkovávat neutrina.
Teplá temná hmota (WDM)
U tohoto typu temné hmoty se částice pohybují relativisticky. Předpokládá se, že tento typ temné hmoty by mohl zprostředkovávat supersymetrický partner k částici graviton (předpovězen z teorie supergravitace).
Chladná temná hmota (CDM)
Má větší klidovou hmotnost a pohybuje se nerelativisticky. Tuto hmotu by měly zprostředkovávat částice typu fotina, neutralina, těžká neutralina, nebo axiony.
Hmotnostní omezení
Je-li temná hmota tvořena slabě interagujícími hmotnými částicemi (WIMPs), pak podle současných představ vyplývá z astronomických pozorování trpasličích kulových galaxií, že by tyto částice neměly mít klidovou hmotnost menší než 40 GeV/c2.[5][6] Žádné projevy temné hmoty tvořené částicemi s nízkou hmotností nebyly zjištěny ani při vyhodnocení dalších experimentů s Fermiho vesmírným teleskopem záření gama.
Z výsledků měření izotropního radiového kosmického záření (experiment ARCADE) vyplývá, že jeho jasnost je vyšší než záření předpokládané z extragalaktických zdrojů. Vysvětlují-li se pomocí temné hmoty v naší Galaxii tvořené WIMPs, pak pro jejich hmotnost vyplývá, že pravděpodobně leží v intervalu 10–20 GeV/c2.
Také z pozorování vesmírného synchrotronového záření emitovaného při pohybu nabitých částic v magnetickém poli blízko středu Galaxie kosmickým dalekohledem Planck vyvodil v roce 2012 tým vědců závěr, že temná hmota je tvořena velmi hmotnými částicemi (možná 10krát těžšími než je předpokládaná hmotnost Higgsova bosonu), které s ostatní hmotou neinteragují a jejichž vzájemné interakce jsou ve většině oblastí vesmíru velmi řídké.
Uvedená experimentální zjištění vylučují, že temná hmota je tvořena známými druhy neutrin.
Projevy temné hmoty
Pokud budeme ve vesmíru pozorovat gravitační chování velkých objektů typu galaxií nebo jejich kup, zjistíme, že musí existovat hmota, kterou nepozorujeme (tzv. temná hmota). Existenci temné hmoty jako první zavedl astronom Fritz Zwicky (při pozorování kupy galaxií ve Vlasech Bereniky).
Rotační rychlosti galaxií
Asi nejpřesvědčivější argument pro existenci temné hmoty je měření rychlostí spirálních galaxií. Spirální galaxie má střed kulového tvaru, z níž vycházejí jednotlivá spirální ramena. Oběžné rychlosti můžeme měřit pomocí spektrálních čar (Doplerova posuvu) jako funkci od středu galaxie.
Příkladem je např. měření závislosti rychlosti na vzdálenosti galaxie NGC6503. Výsledkem měření bylo, že rychlost od centra galaxie roste přibližně na hodnotu 120 km/s, a zde zůstává konstantní až do nejvzdálenějších měřitelných vzdáleností. To je ale v rozporu s pozorováním, kde svítivost klesá se zvyšující se vzdáleností od centra galaxie. Právě tento rozpor nás vede k myšlence zavedení temné hmoty, která by vysvětlovala gravitačním působením tuto charakteristiku rotační rychlosti.
Historické pozorování Fritze Zwickyho
Fritz Zwicky postupoval obdobně jako u výše zmíněného experimentu, kdy změřil rotační rychlosti jednotlivých galaxií v kupě galaxií. Z této znalosti a předpokládané celkové hmotnosti, aby byla kupa stabilní, odhadnul hmotnost této kupy. Když tuto hmotnost porovnal s předpokládanou hmotností (tj. hmotností jednotlivých galaxií v této kupě), tak výsledek byl 400x rozdílný. Právě tento nesoulad ho přivedl k myšlence existence nějaké jiné formy hmoty, než jsme schopni pozorovat.