Před více než deseti lety zjistili astronomové při měření teploty vesmíru něco zvláštního. Zjistili, že kousek oblohy o šířce 20 měsíců je neobvykle chladný.
Astronomové měřili mikrovlnné záření, které omývá celý vesmír, zářící pozůstatek velkého třesku. Pohled na toto kosmické mikrovlnné pozadí neboli CMB znamená nahlédnout do prvotního vesmíru, do doby, kdy byl starý méně než 400 000 let.
To, co se nyní objevuje jako hlavní hypotéza, je vesmírný supervulkán
CMB pokrývá celou oblohu a vypadá všude skoro stejně, doutná při slabě chladné teplotě 2,725 kelvinů – jen o pár stupňů teplejší než absolutní nula. Astronomové se však vyzbrojili nově vypuštěnou družicí WMAP a rozhodli se prozkoumat teplotní odchylky tak nepatrné, jako je jedna část ze sta tisíc. Tyto náhodné fluktuace, které se zrodily z kvantové pěny, z níž vznikl vesmír půl okamžiku po velkém třesku, pomáhají vědcům pochopit, z čeho se vesmír skládá a jak vznikl.
A uprostřed těchto fluktuací vynikalo chladné místo. V průběhu let přišli astronomové s nejrůznějšími nápady, jak ji vysvětlit, od přístrojové chyby až po paralelní vesmíry. Nyní se však zaměřili na hlavního podezřelého: obrovskou dutinu prázdnoty zvanou kosmická superprázdnota, která je tak velká, že by mohla být největší strukturou ve vesmíru.
Podle teorie může taková obrovská prázdnota, ve které neexistuje žádná hvězda nebo galaxie, zanechat chladný otisk v CMB. Odpovědí na tuto záhadu by tedy mohla být jednoduše spousta ničeho. Přesto hádanky zůstávají a případ zdaleka není uzavřen.
Jak vytvořit chladnou skvrnu
Chladná skvrna není jedinou podivnou věcí v CMB. Vědci objevili několik dalších podobných anomálií – například signály z poloviny oblohy se zdají být o něco silnější než z druhé poloviny. Standardní kosmologická teorie, která jinak prorocky předpovídala detaily CMB, nedokáže tyto podivnosti, z nichž studená skvrna je jednou z nejvýznamnějších, plně vysvětlit
Opravdu velká by mohla působit jako jakási rušivá čočka
Nejjednodušší vysvětlení anomálií je, že jde o fluktuace, artefakty náhody mezi náhodnými teplotními fluktuacemi CMB. Když si stokrát hodíte mincí, vždy existuje šance, že padne 20, 30 nebo dokonce 50 hlav v řadě. Výzvou pro vědce je zjistit, zda jsou tyto anomálie způsobeny štěstím nebo váženou mincí. Pokud jde o studenou skvrnu, údaje ukazují, že pravděpodobnost, že jde o náhodu, je jedna ku dvěma stům. Není to nemožné, ale ani pravděpodobné.
Někteří vědci se domnívali, že chladná skvrna je způsobena přístrojovou chybou nebo způsobem analýzy dat. V roce 2013 však nová pozorování z družice Planck potvrdila dřívější zjištění studené skvrny. A to si vyžádalo vysvětlení.
To, co se nyní objevuje jako hlavní hypotéza, je kosmický supervoid. Veškerá hmota ve vesmíru – galaxie a neviditelná temná hmota – se táhne vesmírem v obrovské síti plátů, úponků a vláken. Mezi nimi se nacházejí kapsy prázdnoty zvané prázdnoty, které mají různé tvary a velikosti. Opravdu velká z nich by mohla působit jako jakási zkreslující čočka, díky níž se CMB jeví chladnější, než ve skutečnosti je.
Zatímco se foton prohání uvnitř prázdnoty, vesmír se stále rychleji rozpíná
Důvod je následující: Když světlo prochází prázdnotou, ztrácí energii a jeho frekvence klesá a posouvá se směrem k nižší frekvenci, k červenější části spektra. Stejně jako většina věcí i světlo podléhá vlivu gravitace, která může na fotony během jejich cesty působit. Uvnitř prázdnoty je však málo hmoty, což znamená, že na světlo nepůsobí téměř žádná gravitace. Pro foton je let prázdnotou jako šplhání přes kopec. A šplhání vyžaduje energii.
Foton však může tuto energii získat zpět. Jakmile opustí prázdnotu, ocitne se opět obklopen hmotou a gravitační vliv stačí na to, aby ho přitáhl a dodal mu energii, kterou ztratil.
Aby foton ztratil energii, je třeba zrychlené rozpínání vesmíru. Zatímco se foton prohání uvnitř prázdnoty, vesmír se stále rychleji rozpíná. Než foton opustí prázdnotu, zjistí, že se – díky tomuto vesmírnému rozpínání – veškerá hmota rozprostřela. Protože je nyní hmota více rozptýlená, její gravitační účinek není tak silný. Nemůže na foton působit stejnou silou jako dříve a foton nemůže získat zpět energii, kterou kdysi měl.
Ve vzdálenosti menší než 3 miliardy světelných let může být prázdnota
Fyzikové na tento jev přišli již koncem 60. let 20. století, ale nikdo ho ve skutečnosti nepozoroval. Po objevení studené skvrny však astronomové, jako například István Szapudi z Havajské univerzity, začali hledat důkazy tohoto chování, kterému se říká integrovaný Sachs-Wolfeho efekt neboli ISW. V roce 2008 jej našel.
Úžasná supervoid
Szapudi nemohl identifikovat jednotlivé voidy zanechávající otisky v CMB – neměl k tomu potřebná data. Místo toho se svým týmem hledal celkový efekt ISW ve statistické analýze 100 dutin a kup galaxií, jejichž gravitační heft vytváří oteplovací efekt a zanechává horká místa v CMB. Vědci zjistili skutečný ISW efekt, který mění teplotu CMB v průměru asi o 10 miliontin kelvinu, tedy o 10 mikrokelvinů.
V porovnání s chladnou skvrnou, která je asi o 70 mikrokelvinů chladnější než průměr CMB, je tento efekt malý. Smyslem však bylo ukázat, že prázdná místa mohou vytvářet chladné skvrny. Pokud by byla prázdnota dostatečně velká, mohla by pravděpodobně vytvořit chladnou skvrnu. „Pokud je tato chladná skvrna největší anomálií v CMB, mohla by být velmi dobře známkou obrovské prázdnoty – velmi vzácné prázdnoty ve vesmíru,“ říká Szapudi. „Tak mě napadlo, že bychom ji teď měli hledat.“
Prázdnota je obrovská. Má poloměr 220 megaparseků
Jeho první pokus v roce 2010 vyšel naprázdno. Data však byla omezená, pokrývala jen několik bodů uvnitř skvrny. Zajímavé bylo, že výsledky také ukázaly, že by se ve vzdálenosti menší než 3 miliardy světelných let mohla nacházet prázdnota.
Loni to se svým týmem zkusil znovu, tentokrát s množstvím dalších dat, která pokryla více než 200krát více oblohy a zahrnula celou chladnou skvrnu. S mnohem větším pokrytím – sestávajícím z tisíců galaxií – se tyto dřívější náznaky spojily do skutečné prázdnoty. Data byla jednoznačná. „Jsme si naprosto jisti, že tam prázdnota je,“ říká Szapudi. „Vsadil bych na to svůj dům.“
A prázdnota je obrovská. Její poloměr je 220 megaparseků, tedy více než 700 milionů světelných let, což z ní činí jednu z největších – ne-li největší – fyzikálních struktur ve vesmíru.
Tak velká prázdnota je neobvyklá, existuje jich možná jen několik, říká Szapudi. To, že se tak vzácná prázdnota překrývá s chladnou skvrnou – což je samo o sobě další vzácnost – se zdá být příliš nepravděpodobné na to, aby šlo o pouhou náhodu. Pravděpodobnější podle něj je, že prázdnota je příčinou chladné skvrny. Ve skutečnosti vypočítal, že tento scénář je 20 000krát pravděpodobnější, než kdyby se oba objekty náhodou sešly v jedné linii.
Jiní si tím zatím nejsou jisti. Pro astronomy, jako je Patricio Vielva z Kantabrijské univerzity ve Španělsku, který vedl objev studené skvrny v roce 2004, je vzácnost prázdnoty stále sporná. Pokud se ukáže, že takovéto prázdnoty jsou rozšířenější, pak by toto vyrovnání nebylo tak pozoruhodné. Možná jde jen o náhodu. Proto vědci potřebují více údajů, aby mohli posoudit, jak vzácné tyto supervoidy jsou. „Právě teď si myslím, že je to jedna z nejdůležitějších věcí, které je třeba zjistit,“ říká Vielva.
Není dostatečně chladná
Je tu však ještě větší problém.
Supervoid nemůže dostat CMB dostatečně chladnou. Supervoid této velikosti může CMB ochladit pouze o 20 mikrokelvinů. Chladná skvrna je však v průměru chladnější o 70 mikrokelvinů. V některých místech je pokles teploty až 140 mikrokelvinů.
Jedním z možných důvodů rozporu je, že prázdnota je ve skutečnosti větší, než bylo naměřeno. Pokud by tomu tak bylo, její ISW efekt by byl silnější. Vzhledem k nejistotám Szapudiho měření by poloměr prázdnoty mohl dosahovat až 270 megaparseků. Přesto, jak říká Vielva, ani to není dostatečně velké, aby to vysvětlilo chladnou skvrnu.
Ve skutečnosti podle současných kosmologických teorií vesmír možná ani není schopen vytvořit dostatečně velkou prázdnotu. „Problém je v tom, že taková prázdnota, jakou potřebujete pro tento efekt, neexistuje,“ říká Vielva.
Další pozorování umožní astronomům získat přesnější měření velikosti a vlastností supervoidu
Ale když ne prázdnota, tak co? Možná, říká Vielva, je chladná skvrna způsobena kosmologickou strukturou, defektem ve vesmíru analogickým trhlinám nebo skvrnám, které se vyskytují v ledu. Jak se raný vesmír vyvíjel, prošel fázovým přechodem podobným tomu, co se děje, když voda zmrzne a změní se z kapaliny na pevnou látku. V ledu vznikají defekty, když molekuly vody nejsou v jedné linii. Ve vesmíru mohou vznikat textury. V roce 2007 Vielva pomohl ukázat, že pokud textura existuje, mohla by vytvořit chladnou skvrnu prostřednictvím ISW efektu.
Textura je však spekulativní a nikdo neviděl žádný důkaz, že existuje. „Textury jsou pěkná myšlenka, ale nemáme žádnou představu o tom, zda jsou tyto věci reálné, nebo ne,“ říká Rien van de Weijgaert, astronom z univerzity v nizozemském Groningenu.
Pro většinu astronomů se podle van de Weijgaerta stále zdá být nejlepším vysvětlením supervulkán. „V současné době je považována za jednu z nejvěrohodnějších možností,“ říká. „Jde o velikost efektu, nad kterým by se daly vznášet určité otázky, ale není to neuvěřitelné.“
Pro jistotu je hypotéza o prázdnotě jistě zajímavá, říká Vielva. Ale nejprve je třeba vyřešit rozpor v teplotách.
Jen nevíme, jak to dopadne. Myslím, že to nikdo neví
Pomohlo by více údajů. Například více pozorování umožní astronomům získat přesnější měření velikosti a vlastností supervoidu. Mohla by také odhalit, zda se v popředí nachází menší prázdnota, která by mohla pomoci ochladit CMB. Možná je chladná skvrna tak mrazivá proto, že se supervoid nachází také před oblastí CMB, která je již o něco chladnější než obvykle.
Přestože čísla nyní nesedí, není to důvod k obavám. „V tuto chvíli, protože nejistoty jsou tak velké, by kvůli tomu člověk neměl ztrácet spánek,“ říká Carlos Frenk, astrofyzik z Durhamské univerzity ve Velké Británii. Jeho předtucha je, že s dalšími daty a analýzami se supervoid ukáže jako správná odpověď. „Může se klidně stát, že to všechno do sebe docela pěkně zapadne,“ říká.“
Pokud ano, bude studená skvrna představovat první měření objektu – supervoidu -, který zanechal otisk v CMB prostřednictvím ISW efektu. To je významné částečně proto, že supervoid je prostě tak obrovský. Supervoid by mohl být důležitý i z jiného hlediska: „
Efekt ISW funguje jen proto, že vesmír se rozpíná stále rychleji a tajemná síla, která tlačí vesmír k sobě, je temná energie. Měřením ISW efektu ze supervoidu mohou vědci zkoumat vliv temné energie – a lépe pochopit, jak se chová a co je zač.