Fyzikové, za pomoci urychlovače částic FermiLab a detektoru částic IceCube, právě v časopise arXiv představili teoretický model, který by mohl změnit způsob, jakým chápeme temnou hmotu, nejrozšířenější a nejnepolapitelnější látku ve vesmíru.
Podle jejich návrhu by temná hmota nebyla jednolitým útvarem, ale existovala by přinejmenším ve dvou různých stavech téže částice, které se od sebe liší nepatrným rozdílem v hmotnosti. Tyto dvě verze by se za určitých podmínek mohly přeměnit jedna v druhou, a teprve když by se obě setkaly na stejném místě, generovaly by signály, které by mohly zachytit vědecké přístroje.
Neviditelná kostra vesmíru
Abychom si uvědomili, o co se jedná, stojí za to připomenout, že přibližně 85 % veškeré hmoty ve vesmíru tvoří temná hmota. Ta světlo nevyzařuje ani neodráží a její interakce s běžnou hmotou je prakticky nulová. Její gravitační vliv však funguje jako neviditelné lešení: drží pohromadě galaxie, shlukuje galaktické kupy a řídí vývoj vesmíru od jeho nejranějších fází. Bez tohoto lešení by se galaxie rozpadly, velké vesmírné struktury by nikdy nevznikly a mapa vesmíru by byla zcela nepoznatelná.
Víme, že existuje, protože nepřímé důkazy jsou ohromující: galaxie rotují rychlostí, kterou nelze vysvětlit pouze viditelnou hmotou, světlo se ohýbá více, než předpovídají běžné výpočty, a vesmír, jak ho známe, by bez ní nebyl možný. Přesto identifikace konkrétní částice, která ji tvoří, zůstává jednou z největších výzev současné fyziky.
Jednoduchý model, který se začíná rýsovat
Hypotéza, která dominovala po celá desetiletí, navrhovala něco jednoduchého: temná hmota by se měla skládat z jediného typu částic, stabilních a téměř zcela inertních, rozptýlených po celém vesmíru v podobě neviditelných hal, které obklopují galaxie. Tato elegantní jednoduchost však stále více naráží na pozorování.
Nejvýraznější problém se týká gama záření, nejenergetičtější formy světla. Několik experimentů zaznamenalo možný nadbytek tohoto záření v centru Mléčné dráhy, což by se dalo interpretovat jako stopa po anihilujících částicích temné hmoty. Stejný signál by se však měl objevit i v blízkých trpasličích galaxiích, pokud by byl konvenční model správný, a to se neděje. Tato absence představuje rozpor, který se odborníkům dosud nepodařilo uspokojivě vyřešit.
Dvě částice, které se musí setkat
Nový model nabízí elegantní východisko z této slepé uličky. V oblastech, jako je střed naší galaxie, kde se částice pohybují vyššími rychlostmi, by temná hmota měla dostatek energie k tomu, aby se „excitovala“, tj. aby přešla ze svého lehčího stavu do stavu o něco těžšího. Jakmile se dostane do tohoto excitovaného stavu, může interagovat se svým lehčím protějškem a generovat pozorovatelné signály. V menších, chladnějších galaxiích by však částice neměly dostatek energie k tomuto skoku a signál by jednoduše nevznikl.
Gordan Krnjaic, spoluautor studie, vysvětluje: „Mohli bychom mít dva typy částic temné hmoty a obě by se musely najít, aby vytvořily signál. V této studii se snažíme poukázat na to, že by mohl existovat jiný druh závislosti na prostředí, i když je pravděpodobnost anihilace v centru galaxie konstantní. Temná hmota by se jednoduše mohla skládat ze dvou různých částic a tyto dvě částice by se musely setkat, aby došlo k anihilaci.„
Temný vesmír je stejně složitý jako ten viditelný.
Tato závislost na prostředí, kinetické energii částic a konkrétní historii každé galaxie zavádí silnou myšlenku: temná hmota by se ve všech koutech vesmíru nechovala stejně. Mnoho předchozích modelů předpokládalo přímou souvislost mezi přítomností temné hmoty a signály, které bychom měli detekovat. Nový přístup tuto vazbu ruší a naznačuje, že temný vesmír může skrývat stavy, přechody a chování, které se liší v závislosti na kontextu, podobně jako u běžné hmoty.
Znamená to, že záhada temné hmoty je vyřešena? Vůbec ne. Stále se jedná o hypotézu, která čeká na experimentální potvrzení. Odborníci v této oblasti ji však považují za mimořádně přitažlivou, protože nejenže odpovídá známým údajům, ale také nabízí vysvětlení, proč se zdá, že na určitých místech vesmíru temná hmota vysílá signály… zatímco na jiných místech zůstává zcela němá.