Krteček a temná hmota

neděle 14. srpen 2011 23:17

Tento text je rozšířením sloupku stejného názvu, který vyšel v LN v sobotu 6. srpna. Podle mého názoru jsou okolnosti a osobnosti spojené s letem raketoplánu Endeavour na Mezinárodní vesmírnou stanici s Krtečkem na palubě natolik zajímavé, že si zaslouží podrobnější a trochu techničtější komentář, než jaký je vhodný pro sloupek.

V pátek 29. července přiletěl na pozvání Akademie věd České republiky na 13tidenní návštěvu České republiky americký astronaut Andrew Feustel spolu se svou ženou, dvěma syny a plyšovou postavičkou Krtečka, kterou vzal sebou na palubu raketoplánu Endeavour na svém květnovém letu na Mezinárodní vesmírnou stanici. V pondělí 1. srpna 2011 převzal z rukou předsedy Akademie věd ČR Jiřího Drahoše nejvyšší ocenění AV ČR De scientia et humanitate optime meritis. Tuto čestnou medaili uděluje AV ČR významným tuzemským a zahraničním osobnostem, které se zasloužily o rozvoj vědy, vzdělanosti, kultury a prosazování humanitních idejí. V uplynulých letech ji obdrželi mj. prof. Antonín Holý či další astronaut s českými kořeny Eugene A. Cernan. Během svého pobytu Andrew Feustel navštívil kromě Prahy i Brno, České Budějovice, Český Krumlov Valašské Meziříčí, Pardubice a Zlín, kde měl řadu besed s veřejností. Jeho návštěva byla prvním krokem k realizaci programu, na němž se bude s Akademií věd podílet americké velvyslanectví v Praze a který má podpořit zájem o studium inženýrských a technických věd. Andrew Feustel bude garantem programu.

Do vesmíru letěl Andrew Feustel poprvé v roce 2009 jako člen posádky raketoplánu Atlantis, jenž zajistil poslední servisní misi u Hubbleova kosmického dalekohledu. Na jeho druhé cestě do vesmíru na raketoplánu Endeavour s Krtečkem na palubě má velkou zásluhu Samuel Ting, laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 1976. A také temná hmota, neboť přes obrovský rozvoj astronomie a kosmologii v posledních desetiletích dosud nevíme, z čeho se skládá většina hmoty ve vesmíru. Ta, které rozumíme a z níž jsou složeny hvězdy, mezihvězdný prach a reliktní záření představuje jen asi 5 procent.

Vakuum vrací úder

Největší část, asi 70 procent, tvoří záhadná tzv. temná energie, která je rozložena spojitě po celém prostoru a podle současných představ způsobuje, že rozpínání vesmíru se zrychluje. V rámci velmi úspěšné teorie mikrosvěta, jež je založena na kvantové teorii, nazývané Standardní model, je přirozenou interpretací temné energiie hustota energie vakua, neboť v kvantové teorii vakuum není prázdné. Nejsou v něm sice částice, ale jinak se jedná o velmi komplikovaný systém, který se klasickému vakuu podobá v jediném: má záporný tlak, to znamená, že „saje“. Vezmeme-li hustotu energie a tlak vakua kvantové teorie vážně a dosadíme je jako zdroje do Einsteinovy teorie gravitace, dostaneme právě ono zrychlování rozpínání prostoru a nikoliv zpomalování, jak jsme zvyklí u normální hmoty. Problém, a velký, je ovšem v tom, že podle Standardního modelu je energie vakua tak obrovská, že by měla způsobovat nepředstavitelně větší zrychlení rozpínání prostoru, než jaké pozorujeme. To by veškeré gravitačně i elektromagneticky vázané systémy, jako jsou galaxie a atomy, mělo dávno roztrhat. Tento rozpor mezi naším chápáním, či spíše nechápáním, podstaty kvantového vakua a jeho gravitačními projevy, představuje největší problém současné fundamentální fyziky, jehož řešení je v nedohlednu.

„Normální“ temná hmota?

Zbývajících asi 25 procent tvoří již zmíněná temná hmota, o jejíž existenci víme již od 30. let minulého století. Podle všech známek by mělo jít o stabilní, elektricky neutrální částice, které „nevidíme“ (proto by pro ně bylo vhodnější používat výraz „neviditelná hmota“), ale které se projevují svým gravitačním působením na ostatní objekty. Například tím, že rychlost oběhu hvězd kolem středu naší galaxie je na jejím okraji výrazně vyšší, jak ukazuje graf na obrázku vpravo nahoře na webové stránce, než by odpovídalo tomu, že na ně působí jen hmota, kterou vidíme. Podobný závěr z měření rychlosti pohybu galaxií uvnitř klastru galaxií Coma učinil poprvé v roce 1933 švýcarský astronom Fritz Zwicky. Částice temné hmoty by podle dnešního kosmologického modelu měly ve vesmíru existovat již od Velkého třesku. Díky gravitačnímu působení by se měly hromadit v galaxiích a ve hvězdách, ale mohly by se také poletovat ve vesmíru podobně jako reliktní mikrovlnné záření a při vzájemných srážkách produkovat nám známé částice a antičástice. Antičástic je ve vesmíru málo a jejich existence je proto vhodným příznakem, byť ne důkazem, projevů temné hmoty. Měřením výskytu antičástic, jako je pozitron či antiproton, které k nám přicházejí z vesmíru, se proto můžeme o podstatě temné hmoty mnoho dozvědět. Existuje řada hypotéz, o jaké částice by mohlo jít, a některé z nich se již léta marně hledají ve srážkách částic známých částic na urychlovačích. Možná proto, že jsou velmi těžké a proto jsme zatím neměli na jejich produkci dostatek energie, ale možná proto, že ani temné hmotě pořádně nerozumíme.

Na osobnosti záleží

Samuel Ting, Američan čínského původu, kterému bylo počátkem tohoto roku 75let, je jedna z nejpozoruhodnějších postav současné fyziky. V roce 1976 dostal spolu s Burtonem Richterem Nobelovou za fyziku za objev částic, která je složena z do listopadu 1974 neznámého druhu (fyzikové říkají „vůně“) kvarků, který se, opět poeticky, nazývá „půvabný“.  V 90. letech minulého století Ting vedl jeden ze čtyř velkých experimentů na urychlovači LEP v CERN, v jehož tunelu je dnes umístěn urychlovač LHC, který kandidáty na temnou hmotu hledá, zatím stále neúspěšně. Ting je ovšem známý tím, že nikdy moc nedal na teoretické spekulace, co může existovat a jak to hledat. V roce 1995 se rozhodl změnit místo, kde a jak po temné hmotě pátrat. Místo pozemských urychlovačů, které dokážou srážet obrovské množství částic, ale jsou omezené dosažitelnou energií, se rozhodl postavit detektor, který bude detegovat projevy temné hmoty v kosmickém záření a bude pracovat na oběžné dráze ve výšce několik set kilometrů. Pro hledání jemných efektů slabých toků částic, jako jsou antiprotony a pozitrony, je umístění na vysoké oběžné dráze klíčové, neboť v zemské atmosféře tyto částice vznikají při průchodů nabitých částic kosmického záření a hledaný efekt by byl překryt nezajímavým pozadím.

Pro účel detekce zajímavých částic přicházejících z vesmíru vyvinul a zkonstruoval asi 600členný mezinárodní tým vědců a techniků vedený Tingem detektor o váze 7,5 tun a objemu 60 krychlových metrů, zvaný Alpha Magnetic Spectrometr (AMS). Ten je ve srovnání s detektory pracujícími na urychlovači LHC v CERN, které váží a měří zhruba tisíckrát tolik, drobečkem, ale na oběžné dráze nikdy tak velký a sofistikovaný detektor nepracoval. Menší a jednodušší prototyp detektoru AMS, označovaný jako AMS-01, pracoval v červnu 1998 10 dní na ruské vesmírné stanici MIR, která byla na oběžné dráze od roku 1986 do roku 2001. Vývoj kompletního detektoru AMS trval 17 let a jeho umístění na Mezinárodní vesmírné stanici bylo po havárii raketoplánu Columbia v únoru 2003 a rozhodnutí NASA ukončit v roce 2010 program letů raketoplánů vážně ohroženo. Jednu dobu se dokonce zdálo, že do programu zbývajících letů raketoplánů se AMS nedostane. Tingovi se ovšem v roce 2008 podařilo přesvědčit samotný Kongres, aby jako součást (na straně 19) zákona autorizujícího program a financování programů NASA jí uložil uskutečnit ještě jeden dodatečný let, výslovně proto, aby dopravil Tingův detektor na Mezinárodní vesmírnou stanici. Bez nadsázky lze říci, že bez Tinga by se Krteček do vesmíru nepodíval.

Raketoplán Endeavour s Andrewem Feustlem a Krtečkem na palubě letěl v rámci mise STS-134 na Mezinárodní vesmírnou stanici právě proto, aby na ni Alpha Magnetic Spectrometer dopravil.  Na Mezinárodní vesmírné stanici bude v provozu až do konce její existence v roce 2020, možná až do roku 2028. 19. května letošního roku, tři dny po startu raketoplánu Endeavour, byl detektor na svém místě a začal pracovat. Krteček to může dosvědčit. V brzké době se máme na co těšit.

Jiří Chýla

Žádný diskusní příspěvek dosud nebyl vložen.

Jiří Chýla

Jiří Chýla

Nejen o vědě, ale také o roli vzdělanosti v dnešní společnosti, o věcech veřejných, které se nás týkají a které by nás měly zajímat.

Zabývám se teorií elementárních částic orientovanou na úzkou spolupráci s experimenty. Od počátku 90. let přednáším na Matematicko-fyzikální fakultě UK a společně s kolegy z této fakulty a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské vedu Centrum částicové fyziky, jehož pracovní týmy se podílejí na řadě důležitých experimentů v hlavních světových laboratořích fyziky částic. Do zvolení členem Akademické rady AV ČR v březnu tohoto roku jsem byl předsedou Rady Fyzikálního ústavu AV ČR. Jsem členem vědecké rady Nadačního fondu NEURON na podporu vědy.

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik

Tipy autora

tento blog
všechny blogy