Pro čtenáře Osla je asi nošením dříví do lesa opakovat, že veškerá hmota, kterou jsme schopni zaregistrovat v nějaké oblasti elektromagnetického záření - zjednodušeně „viditelná hmota“ - se na celkovém složení vesmíru (hmota + energie) podílí přibližně 4 až 5 procenty. Vše ostatní o sobě dává vědět jen nepřímo a úspěšně vzdoruje přirozené lidské snaze proniknout do podstaty. Asi 23 % toho, co tvoří vesmír nazýváme temnou hmotou, protože ji sice nevidíme přímo, ale prozrazuje se kladnými gravitačními účinky, podobně jako známá viditelná, takzvaná baryonová hmota. Pro neznámou temnou matérii doslova platí Saint-Exupéryho „důležité je očím neviditelné“. Bez jejího přitažlivého působení by kosmos vypadal zcela jinak. Samozřejmě za předpokladu, že gravitační zákony jsou vševesmírně platné.
Zbylých 72 až 73 % se ukrývá ještě důsledněji a donedávna nám v obrazu vesmíru vůbec nechyběly. Až v roce 1998 dva týmy astronomů nezávisle na sobě zveřejnily výsledky rozsáhlých analýz pozorování supernov typu Ia o kterých jsme přesvědčeni, že stejný mechanismus vzniku vede u nich k stejné absolutní jasnosti při výbuchu. Její porovnání s pozorovanou (zdánlivou) jasností a měření spektrálního rudého posuvu pak umožňuje určit kde a kdy explodovaly. Rozsáhlá databáze měření supernov odhalila, že vesmír se rozpíná s malým, ale vytrvalým zrychlením. Energie, která tuto akceleraci pohání, a tedy působí proti gravitaci, se nazývá temná energie. Je nedílnou součástí vakua a má na svědomí, že „prázdný“ vesmírný prostor není neměnný, jak byl o tom Einstein v době publikování své všeobecné teorie relativity přesvědčen, dokonce se ani nerozpíná v čase rovnoměrně, jako to právě na základě Einsteinových rovnic odvodili Georges Lemaître a Alexander Friedman, nýbrž expanduje stále rychleji.
Nejnovější vydání časopisu Science přináší článek americko-francouzsko-britského týmu, který na tajemství s názvem „temná energie“ zaútočil novým způsobem. Šéf týmu a první autor práce Eric Jullo z Laboratoře pro proudové pohony v kalifornské Pasadeně takto shrnul cíl studie: "Temnou energii charakterizuje vztah mezi jejím tlakem a hustotou, tedy takzvaná stavová rovnice. Naším cílem bylo tento vztah kvantifikovat. Vypovídá o vlastnostech temné energie a o tom, jak ovlivňuje vývoj vesmíru."
Astronomové se již několika nezávislými způsoby snažili změřit kolik temné energie se nachází v objemové jednotce fyzikálního vakua. Kromě zmíněných supernov Ia například i analýzou měření mikrovlnného pozadí, které poskytla sonda WMAP. Teď si vzali pod drobnohled snímky té nejhmotnější známé kupy galaxií, která se ze vzdálenosti 2,3 miliardy světelných let promítá do souhvězdí Panny a je známá jako Abell 1689. Její „portréty“ pochází z bohatého archivu Hubblova vesmírného dalekohledu.
Že gravitace hmotného tělesa mění dráhu světelného paprsku se fyzikové dověděli nejdřív z Einstenovy teorie relativity, a až později i z výsledků pozorování, které byly zároveň i prvním důkazem platnosti této slavné teorie. Jako první se o kosmických gravitačních čočkách zmiňuje v roce 1937 Fritz Zwicky, ale správnost jeho myšlenek byla potvrzena až o dlouhých 42 let později. Abell 1689 je jednou z nejznámějších příkladů. Gravitace tohoto gigantického, ale nerovnoměrně rozmístěného seskupení hmoty odklání světlo ze 32 vzdálenějších galaxií v pozadí tak, že na Zemi v dalekohledech vidíme 114 jejich deformovaných obrazů.
Jak se dá zkoumat temná energie pomocí gravitační čočky? Tak, že se co nepřesněji změří vliv zrychleného rozpínání na tvar prostoročasu. Tato změna ovlivňuje i dráhu světla velmi vzdálených zdrojů záření. Jejich vícenásobné, velkou koncentrací hmoty v popředí pozměněné obrazy umožňují tuto informaci doslova vydolovat. Přičemž míra deformace obrazu vzdálenějšího svítícího objektu závisí v první řadě od hmotnosti gravitační čočky, ale částečně i od vzájemných vzdáleností objekt – čočkující hmota - pozorovatel. Taková analýza si samozřejmě vyžaduje maximální přesnost měření, proto kromě kvalitních snímků astronomové potřebovali i co nejpřesnější určení vzdáleností. Využili na to výsledky pozorování nejmodernějších velkých pozemních dalekohledů: evropského VLT (Very Large Telescope) a americké dvojice Keckových dalekohledů (pojmenovaných podle Howarda B. Kecka) a z jejich databází si vybrali jenom ty nejspolehlivější spektroskopická měření rudého posuvu. Tak ze 32 vzdálených galaxií, které Abell 1689 promítá do 114 různých obrazů, pro své analýzy vyselektovali 24.
"Vliv gravitační čočky závisí od její hmotnosti, od struktury časoprostoru i relativní vzdálenosti mezi námi, čočkující hmotou a vzdáleným objektem za ní," vysvětluje Priyamvada Natarajan, další člen týmu. "Je to jako zvětšovací sklo. Kde obraz dostanete, závisí na tvaru čočky a jak daleko ji držíte od prohlíženého objektu. Znáte-li tvar čočky a výsledný obraz, můžete zrekonstruovat dráhu světla mezi vzdáleným objektem a vašim okem. Geometrie, složení a osud vesmíru jsou propojeny. Znáte-li dva, můžete odvodit třetí. Už máme docela dobrou představu o složení vesmíru z hlediska zastoupení hmoty a energie, takže pokud se nám podaří „uchopit“ i geometrii, pak budeme moci vypočítat jaký osud vesmír postihne."
A k jakým výsledkům metoda gravitační čočky vedla? Autoři v článku uvádějí (pro srozumitelnost volný, rozšířený překlad): Naše výsledky, když jsou zkombinovány s výsledky mapování mikrovlnného kosmického pozadí WMAP5 a s těmi, jež vyplynuly z rozsáhlých studií supernov nebo akustických oscilací baryonů (baryon acoustic oscillations) získaných výzkumem galaxií Sloanovy digitální prohlídky oblohy, poskytují hodnotu průměrné hustoty hmoty ve vesmíru ΩM v rozsahu 0,23 až 0,33 (t.j. asi třetina vesmíru je z hmoty „viditelné“ + „neviditelné“, tedy temné – pozn.aut.). Poměr tlaku temné energie a její klidové hustoty, tedy stavový parametr wx se s 99% pravděpodobností nachází v intervalu hodnot -1,12 až -0,82, což odpovídá dosavadním výpočtům podle jiných metod (−1.38 < wx < −0.82).
Dalo by se tedy říci, že nová metoda vedla k známým, jenom zpřesněným výsledkům, které zúžily dosavadní rozptyl hodnot pro hustotu hmoty a poměr tlak/hustota temné energie. Význam této práce má i druhou, asi stejně důležitou stránku - vývoj zajímavé metodiky, jež se může dále zdokonalovat. Výzkum se ubíral dlouhou, několikaletou cestou nejen přes podrobné mapování množství a prostorového rozložení viditelné i temné hmoty v kupě galaxií Abell 1689 a analýzy deformovaných obrazů ještě vzdálenějších galaxií v pozadí, ale vyžádal si také vývoj nových matematických modelů umožňujících všechna měření zpracovat a vyseparovat kýženou informaci.
Video približuje 2,3 miliardy let vzdálenou hmotnou galaktickou kupu Abell 1689.
Zdroje: Hubble Space Telescope, Science, preprint odborného článku