Temná hmota a temná energie

Odhalování jejich tajemství je nelehkým úkolem. Až se to lidstvu podaří, dopátrají se možná konečného osudu vesmíru. Americký dokumentární cyklus

Po tisíce let jsme pozorovali noční oblohu a věřili, že zářící objekty představují vše, co tvoří náš vesmír. Vědci ale postupně zjišťují, že to nejsou svítící galaxie a hvězdy, co skrývá ta pravá tajemství vesmíru, ale objekty ukryté v temnotě. Existuje záhadná temná hmota, která udržuje hvězdy a galaxie pohromadě. Mohou to být podivné částice WIMPY, AXIONY či objekty M.A.C.H.O. Je zde také temná energie, která vytváří prostor a odtlačuje galaxie od sebe čím dál vyšší rychlostí směrem k jejich nezvratnému osudu. Temná hmota a temná energie společně utvářejí 96 % vesmíru. Odhalování jejich tajemství je však nelehkým úkolem. Ale pokud se nám je podaří pochopit, můžeme poznat konečný osud vesmíru. Zkolabuje pod silami gravitace, nebo jej roztrhá temná energie? Vsadím se, že vesmír skončí v chladu. Porozumění temné hmotě a temné energii je naprosto zásadní pro pochopení celého vesmíru. Vydejme se na cestu do temnoty vesmíru, na honbu za temnou hmotou a temnou energií!

Temná hmota

Temná hmota se nepodobá ničemu, s čím jsme se mohli na Zemi setkat. Každou sekundu prochází vším miliardy těchto záhadných hmotných částic. Svým působením mohou ovlivňovat celé galaxie, jejich vznik i rychlost jejich rotace. Zdá se, že neviditelná temná hmota je přítomná všude. Alespoň to tak vypadá. Vědci však zatím ani neprokázali, zda tyto částice vůbec existují. Mnohé tušíme, ale spolehlivé odpovědi nám chybějí. A pozorování něčeho, co není vidět, je opravdu nelehký úkol. Vůbec neinteraguje se světlem. Ani je nevydává, ani nepohlcuje. Nejen že sama nezáří, ale nemůžete vidět ani její stín. Přesto si vědci jsou jisti – důkazy totiž existují. Každá učebnice říká, že vesmír se skládá z atomů a dalších elementárních částic. Ale nemají tak úplně pravdu. A aby to dokázali, musejí se badatelé vydat pod zem. Když vědci uslyší o neviditelné temné hmotě, řeknou: Dobře, předložte nám důkaz, že existuje!

Soudan v Minnesotě leží více než tři sta kilometrů od nejbližšího velkého města. Je zde dokonalé místo pro hledání temné hmoty, i když to na první pohled tak nevypadá. Člověk by řekl, že temnou hmotu budeme hledat ve vesmíru, kde se má nacházet. Místo toho si ale nasadíme helmy a sestoupíme do dolu. Národní laboratoř Soudan leží téměř čtyři kilometry pod zemí v opuštěném rudném dolu přestavěném na výzkumné pracoviště. Je to jen jedna z mnoha laboratoří po celém světě, které se snaží množstvím hornin zastínit své detektory před kosmickým zářením. Vědci se v nich snaží polapit částice temné hmoty, o jejichž existenci víme jen nepřímo, ale dosud se jim to nepodařilo.

Lov na temnou hmotu začal už téměř před stoletím. Tehdy poprvé získali astronomové vhodné přístroje, aby dohlédli do opravdu dalekého vesmíru. A záhada byla na světě. Až do roku 1920 neexistovala technika, která by umožnila rozlišit, co jsou malé mlhavé skvrnky, které jsou vidět v dalekohledech. A pak Edwin Hubble šokoval svět – ukázal, že vesmír je mnohem větší než naše Galaxie. Profesor MIT Fritz Zwicky začal zkoumat blízkou nadkupu galaxií v souhvězdí Vlasů Bereniky – latinsky Coma Berenices – a objevil něco velmi zajímavého. Měření pohybů jednotlivých galaxií v nadkupě Coma mu umožnilo odhadnout množství látky, kterou kupa obsahuje. Tento odhad srovnal s množstvím hmoty, kterou v galaxiích pozorujeme. A něco nesouhlasilo. Galaxie v nadkupě se pohybovaly příliš rychle vzhledem k tomu, kolik hmoty v ní bylo vidět. Podle jeho výpočtů mělo být v nadkupě 160krát více svítící látky, aby dokázala způsobit pozorované pohyby galaxií. Jejich pohyby tedy muselo ovlivňovat ještě něco jiného. Ale co? Dospěl k závěru, že nadkupa nemůže být stabilní, pokud neobsahuje velké množství temné hmoty. V roce 1933 byl prvním člověkem, který pochopil význam přítomnosti temné hmoty, které říkal chybějící hmota.

Neviditelná temná hmota působí na své okolí gravitací, a proto ovlivňuje rychlost pohybu galaxií v nadkupě. Byla to revoluční myšlenka! Ale jeho objev byl v podstatě ignorován. Ostatní astronomové nepochopili důsledky Zwickyho objevu. Byla to doba, kdy teprve začínali zkoumat vesmír. Až ve 20. letech zjistili, že existují i jiné galaxie. Tehdy ale nevěděli, jestli to, co vidí, jsou galaxie, hvězdy, plyn či prach, nebo něco úplně jiného. Zwickyho měření byla založena na stanovení hmotností hvězd a galaxií. Jak ale zvážit látku ve vesmíru? Slunce nemůžete položit na váhu. Můžete ale měřit, jak rychle planety kolem Slunce obíhají. Čím více hmoty Slunce obsahuje, tím rychleji se planety musejí pohybovat, aby setrvaly na své oběžné dráze. Jak Newton, tak Einstein říkají, že čím víc hmoty objekt obsahuje, tím větší gravitační silou působí. A tedy, čím dále objekt obíhá, tím pomaleji se po své oběžné dráze může pohybovat, protože gravitační působení je zde slabší. Podle Einsteinovy obecné teorie relativity, ale i Newtonova gravitačního zákona, se všechny galaxie vzájemně přitahují. Tímto způsobem Slunce ovlivňuje Sluneční soustavu. Merkur přitahuje víc než Neptun, protože je blíže, a proto se také Merkur pohybuje mnohem rychleji. To samé by mělo platit pro galaxii. Objekty dále od středu by se měly pohybovat pomaleji.

Ale Zwicky pozoroval něco jiného. A ke stejnému výsledku dospěla také mladá astronomka Vjera Rubinová o čtyřicet let později, když zkoumala rotační křivky galaxií podobných té naší. I její pozorování vypadalo podivně, stejně jako Zwickyho. Naměřila, že i když se dostáváte pořád dál od středu galaxie, rychlost oběhu plynu a prachu zůstává stále stejná. Co Vjera Rubinová pozorovala? Představte si, že město je galaxie a každé auto na silnici představuje planetu či hvězdu. Přes hustý provoz by všechna auta jezdila po silnicích města stejnou rychlostí. Stejná konstantní rychlost oběhu bez ohledu na množství látky či hustotu provozu, přesně to Rubinová naměřila. Vnější části galaxií rotovaly tak rychle, že se v nich muselo být mnohem více hmoty. Jinak by se rozpadly. Jedinou možností, jak vyřešit záhadu galaxií rotujících desetkrát rychleji, bylo předpokládat, že galaxii obklopuje halo neviditelné hmoty, která ji drží pohromadě. Rubinová odhadla, že v galaxiích musí být desetkrát více temné hmoty než té obyčejné zářící.

Kde hledat neviditelé

Vědci začali temnou hmotu zkoumat a hledat. Ale jak chcete najít něco, co je neviditelné? Bylo potřeba zjistit, kde ve vesmíru se temná hmota skrývá. Astronomové ji sice nemohli vidět, ale objevili, že se projevuje zakřivováním světelných paprsků, které jí procházejí. Tomuto jevu se říká gravitační čočka. Je to virtuální reflektor, který odhalí veškerou neviditelnou kosmickou látku. Temná hmota se v jednom ohledu chová úplně stejně jako obyčejná hmota. Svým gravitačním působením zakřivuje dráhu světelných paprsků. Sledování paprsků zakřivených působením gravitačních čoček umožnilo odhalit koncentraci temné hmoty do podoby galaktických halo. Gravitační čočky se nemýlily a existence temné hmoty byla najednou zřejmá. Metoda využívající gravitační čočky je zdaleka nejpřesnější. Umožňuje nejen určit množství temné hmoty, ale díky zakřivení paprsků procházejících temnou hmotou, můžeme také zjistit, jak je v prostoru rozložena. Na snímcích z Hubbleova teleskopu vědci hledají místa, kde se paprsky zakřivují, a vytvářejí podle nich mapu jejího rozložení v prostoru.

Většinu hmoty v galaxii tvoří temná hmota. Obyčejná hmota se shlukuje v gravitačním poli temné hmoty. Od chvíle, kdy ji objevili, si vědci nejsou jisti, zda se jedná o neznámé částice, anebo pouze o nezářící obyčejnou hmotu. Každý chtěl hned vědět, co to je. A první odpověď zněla, je to prostě obyčejná hmota, ale nezáří. Proto vědci začali zkoumat objekty ve vesmíru, které nesvítí. Mezi vhodné kandidáty patří i černé díry. Nevydávají světlo, akumulují hmotu a je možné je detekovat prostřednictvím gravitační čočky. Mohly to být černé díry nebo objekty označované jako M.A.C.H.O., hmotné kompaktní objekty galaktického halo. Mohly to být i malé slabé hvězdy. Objekty M.A.C.H.O. se v halu naší galaxie skutečně skrývají a je možné je detekovat pomocí efektu gravitační čočky. Ale není jich dost velké množství. V úvahu připadali také hnědí trpaslíci. Nepodařené hvězdy, které jsou však dostatečně hmotné, aby mohly být hledanou temnou hmotou. Ale ať už je temná hmota cokoli, je jí desetkrát více, než mohou dohromady složit objekty z obyčejné hmoty – hvězdy či planety. Veškerá hmota z běžných atomů – protonů, neutronů a elektronů – prostě nedá dohromady všechnu látku, kterou v galaxiích a galaktických kupách pozorujeme.

Neutrina a axiony

Jak hledání temné hmoty pokračovalo, prověřili vědci další podezřelé. Například byla znovu zvážena úloha už dříve známých částic – neutrin. Stejně jako temná hmota, i neutrina neustále prostupují Zemí v obrovském množství. Jsou však příliš lehká, aby mohla svou gravitací plnit úlohu temné hmoty. Přicházejí ze Slunce a vědci je dnes už umějí vytvářet v urychlovačích. Možnými kandidáty na částice temné hmoty jsou také axiony. Byly vymyšleny, aby pomohly vysvětlit konkrétní nesrovnalost v jedné z teorií částicové fyziky. Jsou velmi lehké, proto je musíme hledat odlišnými metodami, ale zároveň jsou velmi početné, takže by úlohu temné hmoty plnit mohly. Axiony jsou velmi lehké a předpokládá se, že vznikly už při Velkém třesku, stejně jako temná hmota. Teorie však předpovídá, že by se měly postupně přeměňovat na protony. Temná hmota je však stabilní. Mnozí z vědců dnes věří, že temná hmota je tvořena zcela novými neznámými částicemi. Každou sekundu jich námi procházejí miliardy.

Až do objevu temné hmoty vědci věřili, že vesmír se skládá jen z protonů, neutronů a elektronů, tedy z látky, která tvoří vše na Zemi. Vědí, že má určitou hmotnost a že se potýkají s něčím, co dosud nedetekovali. Ale ať už je temná hmota tvořena čímkoli, má určité fyzikální vlastnosti, které naznačují, že se jedná o zatím neznámý typ částice. Temná hmota je poněkud neuchopitelná substance. Nepohybuje se příliš rychle a nemůžeme ji vidět. Částice temné hmoty se nepohybují rychlostí světla a neinteragují ani s ničím obvyklým, a proto je tak obtížné tyto částice vystopovat. S běžnou hmotou interaguje pouze prostřednictvím gravitace. V rámci standardního modelu elementárních částic už nejsou žádní kandidáty na temnou hmotu. Zemí proudí miliardy částic temné hmoty, aniž by s její hmotou jakkoli reagovaly. Jsou něco jako neviditelný muž procházející zdí.

WIMPy

Velkým kandidátem na temnou hmotu jsou dnes částice WIMPy. Jsou to slabě interagující hmotné částice, které zatím nebyly detekovány, ale svými vlastnostmi jsou dokonalým kandidátem na temnou hmotu. V dole Soudan fyzikové z Fermilabu sestoupili do podzemí, které sdílejí s tisíci netopýrů, aby se pokusili WIMPy zachytit. Navrhli přístroj, který je schopen zjistit procházející částice temné hmoty. Samotný detektor je vyroben z germania, velmi hustého kovu, jehož krystal obsahuje velké množství atomů. Na jeho povrchu je uložena síť miniaturních teploměrů, které jsou schopné zaznamenat průchod částice skrze kus hmoty o velikosti hokejového puku. Temná hmota neustále proudí, aniž by se cokoli stalo. Velmi zřídka však narazí přímo do jádra atomu, a právě známky tohoto jevu vědci hledají.

K získání průkazného záznamu je nutné odstínit ostatní šum přicházející z vesmíru. Detekují tak mnoho částic, že je to opravdu příslovečné hledání jehly v kupce sena. Experiment vědců z Fermilabu registruje veškerou hmotu procházející skrze detektor. Takže čím méně bude dalších částic, tím větší je šance zachytit temnou hmotu. Protože temná hmota reaguje s běžnými protony a elektrony jen zřídka, chladí vědci germaniový puk na teplotu blízkou absolutní nule. Pokud částice temné hmoty zasáhne jádro nějakého atomu, dojde k velmi malé změně teploty celého krystalu. A tyto drobné změny, které mohou signalizovat průchod částice temné hmoty, hledají. Ve speciální komoře je uloženo šestnáct germaniových detektorů. Je to superčistý prostor, proto všichni musí mít speciální obleky, aby dovnitř nevnesli ani smítko prachu, které by mohlo narušit experiment.

Zachytit temnou hmotu je mnohem těžší, než to vypadá. Ačkoli v každém okamžiku procházejí Zemí miliardy jejích částic, pouze v jednom z milionu případů dojde k interakci s běžnou hmotou. Když má částice temné hmoty zasáhnout atom germania, je to, jako když se lukostřelec snaží zasáhnout terč vzdálený jeden kilometr. Den za dnem členové týmu sestupují do podzemní laboratoře, analyzují získaná data a zdokonalují se ve stolním tenise. Čekají na jedinou srážku, která prokáže existenci temné hmoty. Přes veškeré úsilí a trpělivost se vědcům z Fermilabu, ani nikomu jinému, zatím temnou hmotu polapit nepodařilo. Kdykoli však může přijít oznámení, že vědci temnou hmotu zachytili. Případný úspěch poskytne nejen přímý důkaz její existence, ale pomůže zodpovědět také další důležité otázky týkající se vesmíru. Objev částic temné hmoty pomůže zjistit, jak vesmír vypadal desetitisícinu sekundy po Velkém třesku.

Kostra našeho světa

Doslova z ničeho se v jednom okamžiku uvolňuje obrovské množství energie. Vzniká prostor i čas a vesmír se začíná rozpínat. Přitom chladne a díky tomu se v něm objevují nové částice. Když byl vesmír minutu starý, probíhaly v něm termojaderné reakce, při kterých běžná hmota reaguje s běžnou hmotou. Po 380 000 letech ochladl vesmír natolik, aby mohly existovat částice hmoty, které tvoří dnešní hvězdy a galaxie. Díky gravitaci se hmota postupně shlukuje do stále větších struktur a objektů. Vědci postupně odhalili, že v průběhu Velkého třesku vznikla také temná hmota. A hrála velmi důležitou úlohu. Pomohla obyčejné hmotě seskupit se a vytvořit hvězdy a galaxie. Pomalu se pohybující částice temné hmoty plní ve vesmíru stejnou úlohu jako ocelové nosníky budov. Je to pevná konstrukce, na kterou se obyčejná hmota může přichytit. Jelikož je temná hmota chladná a interaguje velmi slabě, vědci se domnívají, že byla gravitačně ovlivňována jen pomalu.

Vytvářela centra, ve kterých se koncentrovala běžná hmota, ze které vznikaly galaxie. Je uspořádána do jakési kosmické pavučiny, jejíž vlákna se vzájemně protínají a vytvářejí nosnou strukturu celého vesmíru. V určitém smyslu je tato pavučina něco jako kostra, na kterou se upínají zářící galaxie, které běžně pozorujeme. Připomínají světýlka na vánočním stromku. Ale jsou to velké vzdálené objekty. Jenže skutečná galaxie je tvořena velkým halo, které nevidíme. Vidíme svítící body – hvězdy a planety – jež se nahromadily uprostřed velkého halo, které z větší části tvoří temná hmota. Astronomy dlouho udivovalo, proč galaxie vytvářejí v prostoru zdánlivě náhodné konfigurace. Nyní si ale myslí, že za to může gravitační působení temné hmoty. Hmota ve vesmíru není zdaleka rozložena rovnoměrně. Spíše připomíná pěnu tvořenou mnoha bublinami. Domnívají se, že za to může temná hmota. V posledních letech astronomové pomocí efektu gravitační čočky vytvořili detailní 3D mapu rozložení temné hmoty ve vesmíru. Einstein ukázal, že gravitace ovlivňuje vše, stejně jako vše způsobuje gravitaci. Takže i šíření světla je ovlivňováno gravitací. Temná hmota zakřivuje paprsky světla stejně jako skleněná čočka z obyčejné hmoty. A světlo nerozlišuje mezi obyčejnou a temnou hmotou. Oba typy látky zakřivují paprsky na jejich cestě galaxiemi úplně stejně. Astronomové vystopovali tisíce zdrojů, jejichž záření na cestě k nám prochází temnou hmotou. Trajektorii paprsků zanesli do mapy a získali tak dosud nejdetailnější představu, kde se v prostoru skrývá temná hmota.

Když srovnáme mapu rozložení temné hmoty s klasickou mapou ukazující polohy galaxií, spatříme, že temná hmota opravdu tvoří jakousi kostru. Je to páteř, kolem které se shlukuje obyčejná hmota. Při mapování vesmíru se astronomové dívají zároveň do minulosti. Díky tomu mohou spočítat, kolik hmoty vzniklo při Velkém třesku. Když víte, jaká je struktura dnešního vesmíru a jaká byla v polovině jeho současného stáří či ještě dříve, můžete z toho odvodit celkové množství látky ve vesmíru. A to poskytuje další nezávislý odhad podílu temné hmoty. Odhaduje se, že temná hmota tvoří asi 23 procent vesmíru. Na obyčejnou hmotu připadají pouhá čtyři procenta. Gravitační působení v kupách galaxií musí vytvářet opravdu velké množství temné hmoty. Ale co tvoří zbylých 73 procent vesmíru?

Temná energie

Astronomové byli doslova šokováni objevem nové záhadné substance. Označují ji jako temná energie. Svou odpudivou silou vládne celému vesmíru a odtlačuje galaxie od sebe čím dál tím vyšší rychlostí. Astronomové předpokládali, že i když se vesmír zvětšuje, rychlost jeho rozpínání se bude postupně snižovat a možná se dokonce obrátí ve zpětné smršťování. Domnívali se, že gravitace nakonec překoná všechnu hybnost, kterou hmota má. Avšak při měření průběhu expanze v minulosti vesmíru byli šokováni. Objevili, že vesmír nejen že nezpomaluje, ale jeho rozpínání je čím dál rychlejší. A v takovém případě jej čeká pochmurná budoucnost. Teplota se postupně sníží natolik, že veškerý život se stane zcela nemožným. Vesmír čeká tepelná smrt. Od svého počátku při Velkém třesku se vesmír rozpíná. Rozšiřující se prostor s sebou unáší galaxie. Prostor mezi galaxiemi se rozpíná, ale galaxie samotné nikoliv. Ani Sluneční soustava a ani naše Země se nerozpínají.

V roce 1929 objevil Edwin Hubble, že ostatní galaxie se od té naší vzdalují, a to tím rychleji, čím jsou dále. Relativní rychlost galaxií vůči nám měřil metodou rudého posuvu ve spektru jejich světla, která je stále užívána k určování vzdáleností ve vesmíru. Objevil, že čím dále se galaxie nachází, tím větší je rudý posuv v jejím spektru, a tedy tím rychleji se od nás vzdaluje. Před několika lety se astronomové rozhodli použít měření rudého posuvu ke zkoumání vývoje expanze vesmíru v minulosti. Jak ale proměřit celou historii rozpínání vesmíru? Jak se chcete vrátit o téměř 14 miliard let zpátky v čase? Cestujeme v čase, protože přímo pozorujeme minulost. Stejně jako geologové zkoumající vrstvy sedimentů v Grand kaňonu. Čím hlouběji se dostanou, tím dále vidí do minulosti. Když pozorujete čím dál vzdálenější galaxie, vidíte je tak, jak vypadaly ve stále dávnější minulosti.

Pro měření vzdáleností ve vesmíru využívají astronomové supernovy typu Ia (jedna a) jako standardní svíčku. Příkladem standardní svíčky může být třeba stowattová žárovka. Můžete jich několik rozmístit po místnosti v různých vzdálenostech od vás. Ty vzdálenější pak budou vypadat slabší, ty bližší naopak jasnější. Supernovy typu Ia mají vždy stejnou jasnost, bez ohledu na to, kde ve vesmíru se odehrály. Supernova je gigantická exploze hvězdy v závěru jejího života, při které se hmota rozprskne do okolí. A typ Ia vzniká, když umírající hvězda ve stádiu bílého trpaslíka projde řetězovou termojadernou reakcí a doslova se rozprskne na malé kousky. Vědci tyto supernovy objevují i v nejvíce vzdálených galaxiích, takže vypadají velmi slabé. A srovnávají je se supernovami v blízkých galaxiích, jejichž vzdálenost byla určena i jinou metodou, například pomocí proměnných hvězd cefeid.

Právě pomocí supernov Ia se v devadesátých letech hned dva týmy rozhodly proměřit rychlost zpomalování vesmíru. Aby však zachytili supernovy v okamžiku jejich vzplanutí, museli dohlížet doslova na celý vesmír. Můžete to srovnat třeba s bezpečnostním systémem kasina. Všechny kamery jsou stále zapnuté a po většinu času se neděje nic zajímavého. Ale občas opravdu spatří to, co hledají. Musíte pozorovat opravdu mnoho galaxií. Proto vzali velké dalekohledy s širokým zorným polem zhruba srovnatelným s velikostí Měsíce v úplňku a pořídili obrovské množství snímků oblohy. Na každém z nich zachytili desítky tisíc galaxií. Porovnáním zdánlivé jasnosti dalekých supernov s těmi blízkými mohou změřit vzdálenosti galaxií. A zároveň tím také určit, jak daleko do minulosti vesmíru se vlastně dívají.

Po prostudování údajů o šedesáti supernovách typu Ia byli členové obou týmů svým objevem doslova šokováni. Rozpínání vesmíru se nezpomalovalo, ale naopak urychlovalo! Expanze by se měla s časem zpomalovat, protože všechny objekty se přece vzájemně přitahují. Objev zrychleného rozpínání vesmíru byl jedním z největších překvapení v kosmologii za poslední desítky let. Zrychlené rozpínání vesmíru musí způsobovat nějaká neviditelná substance, kterou nikdo neočekával ani nechápal. Ukazuje se, že na velkých vzdálenostech ve vesmíru působí odpudivá síla, která je silnější než gravitace. Vytváří prostor a strhává s sebou galaxie na divokou jízdu. Tato energie, která vyplňuje vesmír a s časem urychluje jeho expanzi, je dnes známa jako temná energie, díky níž jsou galaxie odnášeny od sebe pryč, tím jak vzniká stále nový prostor. Mezi galaxiemi vzniká stále větší prostor. Ve vesmíru, kde se prostor neustále zvětšuje a zvětšuje, si však galaxie samotné svou velikost zachovávají.

Souboj hmoty s energií

Temná energie se od temné hmoty výrazně liší. Neshlukuje se, jako když galaxie tvoří kupy či hvězdy vytvářejí galaxie. Zdá se, že je rozložena naprosto rovnoměrně. Ve všech směrech pozorujeme stejnou úroveň zrychlení. Najdou se však i vědci, kteří si myslí, že tvoří struktury, které se projevují na jejím působení. Temná energie je energie vakua. Energie ničeho. I nicota má energii. Ta odtlačuje galaxie od sebe, vytváří prostor a vesmír se zrychlenou expanzí. Zdá se, že temná hmota a temná energie spolu soupeří od samotného počátku vesmíru. Vědci se domnívají, že temná energie vznikla společně s temnou hmotou už při Velkém třesku. Ve vesmíru existovala vždy, ale gravitační síla temné hmoty ji držela na uzdě a zpomalovala rozpínání vesmíru téměř devět miliard let. Vše se změnilo před asi pěti miliardami let, když se vesmír rozepjal natolik, že se temná hmota rozptýlila příliš. V prostoru začala dominovat síla temné energie a vesmír začal expandovat zrychleně.

Účinky temné energie byly pravděpodobně naprosto bezvýznamné, když byl vesmír na počátku horký a hustý. Bylo jedno, jestli tam temná energie je nebo není. A i když ano, její role byla zcela zanedbatelná. Jak ale vesmír chladnul, zvětšoval se a snižovala se jeho hustota, začal se snižovat také význam gravitace a naopak nastoupily účinky temné energie. Je to vlastnost prostoru, kterou dosud úplně nechápeme. Astronomové objevili, že jak se vesmír rozpínal, temná energie postupně zvítězila v souboji s temnou hmotou. Před pěti miliardami let převládlo odpudivé působení temné energie nad přitažlivou silou hmoty. Když nakreslíme do grafu závislost silového působení, vliv gravitace s časem slábne, ale odpudivá síla naopak sílí. A asi před pěti miliardami let se obě křivky proťaly. A to byl okamžik, kdy se rychlost expanze vesmíru začala zvyšovat. Pochopení temné energie je naprosto zásadní, abychom odhalili, jaký bude konečný osud vesmíru. Bude expandovat navždy, ztemní a vychladne, anebo je možný jiný konec? Temná energie pohání expanzi vesmíru a nezdá se, že by tato fáze měla jen tak skončit. Odpudivá síla temné energie se zvětšuje, neboť čím více prostoru je mezi galaxiemi, tím větší je výsledný efekt. A zdá se, že jednotlivé galaxie jsou odsouzeny k osamělé existenci. Vypadá to, že to bude konec všeho.

Einsteinův „omyl“

Je překvapivé, že teorie temné energie byla už kdysi dávno navržena, ale zavržena. Jeden z největších fyziků historie ji prohlásil za největší omyl svého života. Byl to Albert Einstein. Mohl učinit další obrovský objev o celých 80 let dříve, než jeho následovníci. Vědci dnes vědí, že temná energie vytváří prostor a způsobuje jeho zrychlené rozpínání. Ale ještě na počátku 20. století věřili, že celý vesmír je tvořen naší Galaxií a že jeho rozměry jsou neměnné. Když Einstein vytvořil svou obecnou teorii relativity, rozhodl se ji otestovat na statickém vesmíru. Přes veškerou snahu však nebyl schopen rovnice sestavit tak, aby získal statický vesmír. Vyplývalo z nich, že vesmír se musí buď rozpínat, nebo smršťovat. Uvědomil si, že homogenní vesmír, ve kterém je rovnoměrně rozložena hmota, musí podle jeho teorie nevyhnutelně buď expandovat, nebo kolabovat. Proto do svých rovnic zavedl člen, který plnil úlohu odpudivé energie vakua. Takzvanou kosmologickou konstantu. Udržovala ve vesmíru rovnováhu tím, že vyrovnávala působení gravitace. Zavedl do rovnic kosmologickou konstantu, a tedy v podstatě temnou energii. Když pak Edwin Hubble objevil, že se vesmír rozpíná, kosmologická konstanta byla najednou zbytečná. A Einstein ji zavrhl.

Nyní se ale zdá, že temná energie, koncept, který sám Einstein před osmdesáti lety opustil, je ve skutečnosti dominantní silou způsobující rozpínání vesmíru. Einsteinův takzvaný omyl určuje, zda vesmír skončí v ohni velkého krachu či tepelnou smrtí v chladu. Při pokusech popsat chování vesmíru Einstein náhodou předpověděl temnou energii a odhalil tedy pravou tvář vesmíru. Ani celkové množství obyčejné i temné hmoty není schopné způsobit zakřivení prostoru, které pozorujeme. Protože je však vesmír tak obrovský, jeho zakřivení běžným pohledem nevnímáme. Je to podobné, jako když se díváte na obzor na Zemi. Dejte dohromady obyčejnou hmotu, temnou hmotu i temnou energii. Z toho lze předpovědět zakřivení vesmíru, a tato předpověď je přesná. Na základě družicových dat se podařilo určit, že temná energie představuje 73 procent celkového obsahu látky a energie ve vesmíru. Temná energie, Einsteinův největší omyl, je dominantní silou ve vesmíru. Jeho omyly jsou ale velkými objevy. Věda je však teprve na samém počátku poznání, jaký význam má temná energie pro konečný osud celého vesmíru. Potřebovali bychom změřit, jak se temná energie chová, když vesmír stárne.

Pokud by se nakonec stalo, že temná energie naprosto překoná přitažlivé působení temné hmoty, vesmír vstoupí do fáze exponenciálního rozpínání. Za každou další jednotku času vesmír vždy zdvojnásobí svou velikost. A pokud temná energie v budoucnu nezmění znaménko a nestane se gravitačně přitažlivou, je osudem vesmíru navždy expandovat čím dál vyšší rychlostí. Nevíme, jak vakuová energie řídí rozpínání vesmíru, ani proč jí je právě tolik. Je to jedna z největších záhad dnešní teoretické fyziky. Za biliony let to bude opravdu osamělé místo. Když se podíváte na noční oblohu, bude dokonale černá. Oceány promrznou a nastane úplný konec veškerého života. Temná energie a zákony fyziky podepsaly rozsudek smrti pro veškerý inteligentní život ve vesmíru.

Při objevování temné hmoty a temné energie se věda ocitá o další krok blíže k vysněné teorii všeho. Jedné rovnici, která popíše fungování celého vesmíru. Až budeme mít teorii všeho, budeme schopni zodpovědět některé otázky, které si lidstvo kladlo od okamžiku, kdy poprvé pohlédlo k obloze. Bude to završení více než dva tisíce let trvajícího poznávání zákonů přírody, od okamžiku, kdy si staří Řekové položili otázku, z čeho jsou věci složeny. Zatím však temná hmota i temná energie zůstávají největšími kosmologickými otázkami 21. století. Je to frustrující, když teď víme, že všechny naše znalosti fyziky se omezují na obyčejnou hmotu. A najednou je tady temná hmota a temná energie, kterým rozumíme opravdu jen velmi málo.