AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie Gravitace, černé díry a fyzika

Kapitola 5
GRAVITACE A GLOBÁLNÍ STRUKTURA VESMÍRU:
RELATIVISTICKÁ KOSMOLOGIE
5.1. Základní východiska a principy kosmologie
5.2. Einsteinův a deSitterův vesmír. Kosmologická konstanta.
5.3. Friedmanovy dynamické modely vesmíru
5.4. Standardní kosmologický model. Velký třesk.
5.5. Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.
5.6. Budoucnost vesmíru
5.7. Antropický princip a existence více vesmírů
5.8. Kosmologie a fyzika

5.6. Budoucnost vesmíru. Šipka času.

Neméně zajímavým a fundamentálním problémem jako je vznik a počáteční stádia evoluce vesmíru, je otázka o tom, kam směřuje vývoj vesmíru v budoucnosti? Co se stane s látkou ve vesmíru? Pomineme-li nepravděpodobné modely jako je stacionární nebo oscilující vesmír, závisí podle standardního kosmologického modelu další osud vesmíru na tom, zda průměrná hustota kosmické hmoty r je menší nebo větší než hustota kritická rkrit (5.26) :

Obr.5.9.
Schématické znázornění nejdůležitějších etap vývoje vesmíru.

Vývoj vesmíru je pro oba případy znázorněn na obr.5.9, kde jsou též vyznačeny nejdůležitější etapy evoluce. Pokud se skutečná hustota hmoty enormně neliší od kritické, probíhá evoluce vesmíru po velmi dlouhou dobu zhruba stejně pro uzavřenou i otevřenou variantu; teprve v pozdních stádiích se dynamika expanze a průběh astrofyzikálních dějů pro oba případy začne podstaně lišit.

Konec času?
V §5.4, pasáž "Počátek času?", jsme diskutovali otázky kauzálních vztahů na počátku evoluce vesmíru podle standardního kosmologického modelu. Dospěli jsme k závěru, že z hlediska obecné teorie relativity iniciální singularita byla nejen počátkem vesmíru, ale zároveň i počátkem času. Jak je to s plynutím času a kauzálními vztahy v konečných stádiích vývoje vesmíru?
¨ V případě uzavřeného vesmíru je situace do jisté míry obráceně analogická počátku vesmíru. V okolí finální singularity končí i veškeré kauzální vztahy (nelze je analyticky prodloužit za tento světobod) - velký krach představuje zároveň i konec času.
¨ V případě otevřeného vesmíru z matematického hlediska pokračuje souřadnicový čas nerušeně do nekonečna. Z reálného hlediska opracionalistického pojetí času (viz §1.1, pasáž "Prostor a čas") však ve finálních stádiích otevřeného vesmíru, kde již nebude docházet k žádným jevům a událostem ("tepelná smrt"), nemáme čas čím měřit (a vlastně ani není "co" měřit). V tomto smyslu tedy i v otevřeném vesmíru efektivně nastává konec času.

Šipka času
Než budeme pokračovat v diskusi jednotlivých variant budoucího vývoje vesmíru, bude užitečné zamyslet se nad tím, co vlastně rozlišuje mezi minulostí a budoucností - čím je určen
směr plynutí času, neboli jak se zkráceně říká "šipka času". Tato asymetrie času - "šipky" která ukazuje z minulosti do budoucnosti - hraje rozhodující úlohu v naší každodenní skušenosti.
Všechny základní fyzikální zákony vykazují vlastnost
časové vratnosti: dovolují-li tyto zákony určitou kauzální následnost událostí, pak dovolují také následnost událostí časově obrácenou. Zákony mechaniky dovolují časové obrácení každého pohybu tělesa. Podobně i zákony elektrodynamiky nerozlišují mezi budoucností a minulostí (samotným Maxwellovým rovnicím vyhovuje jak řešení ve tvaru obvyklých retardovaných potenciálů, tak formálně i potenciálů "advancovaných" - viz §1.5). Krátce řečeno, fyzikální zákony jsou na své nejhlubší úrovni časově symetrické. Zůstáváme-li čistě na úrovni matematicky formulovaných fyzikálních zákonů, žádný rozdíl mezi minulostí a budoucností neshledáme.
   Přesto však u všech skutečně probíhajících dějů v přírodě pozorujeme výraznou kauzální směrovost - přírodní děje probíhají vždy jedním určitým směrem, zatímco opačným směrem nikdy (aspoň nikdy ne samovolně: sklenice se může samovolně skutálet ze stolu a rozbít se, ale nikdy se rozbité střepy samovolně nespojí v původní sklenici). Pozorované mechanismy tohoto časového nasměrování přírodních jevů (jinými slovy konkrétní "šipky času") můžeme rozdělit do čtyř kategorií:

Vzniká přirozeně otázka, jsou-li všechny tyto projevy času nějak vzájemně vázány; popř. zda existuje nějaká "primární" či "univerzální" šipka času, jejímž projevem jsou zmíněné "parciální" šipky času. Podívejme se tedy na možnosti sloučení či redukce aspoň některých z nich.
   Zdá se, že psychologická a termodynamická šipka času jsou v podstatě totožné: psychologická šipka času je důsledkem termodynamické šipky, neboli mentální procesy sdílejí šipku času určenou termodynamikou. Představíme-li si totiž (zjednodušeně, ale výstižně) mozek jako fyzikálně-chemický systém neuronů provádějících logické operace a záznam smyslových počitků do paměti, jsou všechny tyto operace nevratné z termodynamických důvodů. Na uspořádání paměťových prvků v mozku do určitého stavu je třeba vynaložit energii, přičemž její část se vždy rozptýlí v podobě tepla a zvýší tím neuspořádanost celé soustavy. Tento přírustek neuspořádanosti je podle zákonů termodynamiky vždy vyšší, než přírustek uspořádanosti v paměti. Směr času, podle něhož naše paměť zaznamenává údaje, tedy souhlasí se směrem, ve kterém roste neuspořádanost - se směrem růstu entropie. Lze dokonce říci, že neuspořádanost (entropie) vzrůstá s časem vlastně proto, že čas pojímáme a měříme ve směru rostoucí entropie.
   Najít přímou souvislost mezi radiační (elektrodynamickou) a termodynamickou šipkou času není nikterak snadné. Elektromagnetická šipka je svým způsobem projevem principu (či požadavku) kauzality v Minkowského prostoročase (lokálně) inerciálních soustav, v jehož rámci funguje Maxwellova elektrodynamika (viz §1.6 a 3.2). Termodynamická (entropická) šipka času je určena zákony statistické mechaniky aplikovanými na situaci, kdy počáteční podmínky implikují podstatně větší počet stavů neuspořádaných než uspořádaných. Zákony samotné mechaniky odrážejí m.j. i kauzální vztahy. K nalezení souvislostí může pomoci i představa, že "rovnice pole určují i zákonitosti pohybu svých zdrojů" (viz §2.5); všechno to snad ideově bude možné komplexně spojit v budoucí unitární teorii pole.
   Co se týče kosmologické šipky času, která míří stejným směrem jako termodynamická, jedná se patrně jen o náhodu: žijeme shodou okolností v etapě rozšiřujícího se vesmíru, takže šipka času je nyní shodná s expanzí vesmíru. Pokud by vesmír byl uzavřený a v budoucnu bude expanze vystřídána kontrakcí, na šipce času v lokálně inerciálních soustavách se nic nezmění (stejně jako na lokálních fyzikálních zákonech vůbec), avšak souhlasnost se šipkou evoluce vesmíru se změní v protikladnost *).
*) Někteří odborníci (mezi nimi dočasně i S.Hawking) se svého času domnívali, že kosmologická šipka času je primární a že při přechodu evoluce vesmíru ze stádia expanze do stavu kontrakce se obrátí i směr plynutí času. Nyní však již většinou nahlédli mylnost tohoto názoru a přijali stanovisko Zeldoviče a Novikova o irelevantnosti kosmologické šipky času.

Šipka času a antropický princip
Souhlasnost termodynamické, kosmologické a psychologické šipky času je možno dát do určité souvislosti i s antropickým principem (stačí jeho slabá varianta) - srov. §5.7 a práci "
Antropický princip aneb kosmický Bůh". Žijeme nutně ve "středně pokročilém" stádiu expandujícího vesmíru. V pozdních fázích vývoje vesmíru nebudou vhodné podmínky pro existenci života a inteligentního zpracování informace - nebude nikdo, kdo by mohl zkoumat souvislost mezi expanzí či kontrakcí vesmíru a časovým směrem, v němž roste entropie. Ve shodě s koncepcí inflační expanze a s antropickým principem se vesmír rozpíná téměř přesně kritickou rychlostí, takže fáze smršťování nenastane buď vůbec, nebo až za velmi dlouhou dobu. Mezitím všechny hvězdy vyhasnou, galaxie zkolabují a nebudou již k dispozici žádné volné zdroje energie. Vesmír se dostane do stavu téměř maximální neuspořádanosti, která se již nebude dále lokálně zvětšovat - termodynamická šipka času tím vlastně vymizí (srov. s výše uvedenou pasáží "Konec času?"). Vymizí tím i život a veškeré uspořádané zpracování informace....

Můžeme tedy uzavřít, že společnou podstatou všech "parciálních" šipek času je princip kauzality pro každou lokálně inerciální vztažnou soustavu. Při rozboru různých možností evoluce vesmíru jsme tedy oprávněni vycházet z koncepce, že existuje jednoznačná univerzální "šipka času" určující směr evoluce fyzikálních systémů v každé lokálně inerciální vztažné soustavě. Tyto lokální šipky času se prostřednictvím speciálně- a obecně-relativistických transformačních zákonitostí (§1.6 a 2.4) přenášejí z jednoho místa do druhého a vytvářejí rozvětvující se kauzální strukturu v prostoročase celého vesmíru.
Pozn.: Některé geometricko-topologické aspekty směru plynutí času jsou diskutovány i v §3.3, pasáž "Uzavřené světočáry a cestování časem" a v §4.4, pasáž "Černé díry - mosty do jiných vesmírů? Stroje času?".

Budoucí vývoj vesmíru. Skrytá-temná hmota.
Pokračujme nyní v diskusi jednotlivých eventualit budoucího vývoje vesmíru. Rozhodnout o tom, která z obou základních větví evoluce podle obr.5.9 se realizuje ve skutečném vesmíru, je velmi obtížné. Přesnost změření deceleračního parametru q je zatím nedostatečná a při stanovování průměrné hustoty
r hmoty ve vesmíru se naráží na problém skryté hmoty (temné, nezářící látky). Bereme-li totiž pouze "svítící" hmotu obsaženou v galaxiích a v kupách galaxií, vychází r »10-32g/cm3, což je více než o řád menší než rkrit (@ 5.10-30g/cm3 při H »50 km/s.Mpc) a svědčilo by to pro otevřený vesmír. Je však pravděpodobné, že tato "svítící" látka zdaleka nepředstavuje veškerou hmotu ve vesmíru. Při sledování dynamiky rotace galaxií se ukazuje, že skutečná (gravitační) hmotnost galaxií je přibližně o jeden řád větší než ze svítivosti astronomicky stanovená hmotnost; podle dnešních pozorování mají galaktická halo mnohem větší rozměry než se dříve předpokládalo a zřejmě je v nich obsažena větší část celkové hmotnosti galaxií *). Ještě větší disproporce vzniká u kup galaxií, kde příslušný rozdíl činí téměř dva řády (aby při pozorovaných relativních rychlostech mohl být systém galaxií gravitačně vázaný). Protože tento problém úzce souvisí s větou o viriálu [165] známou z klasické mechaniky (podle níž součet potenciální energie a dvojnásobku kinetické energie stacionární soustavy těles je roven nule), hovoří se někdy též o "viriálovém paradoxu". Aby se tento paradox vysvětlil, je nutno předpokládat že existuje obrovské množství nějaké skryté a nezářící (temné) hmoty, která má gravitační účinky.
*) Svědčí o tom rozbor pohybu zářícího velmi řídkého plynu v okolí galaxií. Kdyby hmotnost galaxie byla soustředěna pouze ve viditelné oblasti, oběžná rychlost zářícího plynu v okolí by byla nepřímo úměrná odmocnině vzdálenosti od středu galaxie (podle Keplerova zákona). Ve skutečnosti se však pozoruje, že až do vzdálenosti několika poloměrů viditelné části galaxie zůstává oběžná rychlost plynu zhruba konstantní, takže v této nezářící oblasti je zřejmě hustota hmoty přibližně stejná jako ve svítící oblasti galaxie. Lze říci, že hvězdy v galaxiích a galaxie v kupách galaxií obíhají a celkově se pohybují tak rychle, že odstředivá síla a setrvačnost by je musela již dávno rozptýlit do prostoru, kdyby je nedržela gravitace temné hmoty. Na tuto skutečnost upozornil již v r.1934 F.Zwicky, který na observatořích v Mt. Wilsonu a Mt. Palomaru pomocí spektrometrie pozoroval rychlejší pohyb galaxií na okraji kupy galaxií a hvězd v periferních částech galaxií, než by odpovídalo gravitačnímu zákonu při astronomicky stanovených hmotnostech "svítící" hmoty.
Pozn.: Je možná vhodné upozornit na otázku přesnosti a interpretace naměřených dat, která mohou být zkreslena mechanickým použitím Newtonových zákonů na obrovské vzdálenosti v zakřiveném prostoročase. V této souvislosti se někdy uvažuje i eventualita modifikace Newtonova gravitačního zákona (§1.2, část "Modifikace Newtonova gravitačního zákona"). Pozorovaná astronomická měření dynamiky pohybu hvězd v galaxiích a galaxií v kupách galaxií, které jsou obecně přičítány gravitačnímu účinku temné hmoty, by tak bylo možno vysvětlit pomocí jiného tvaru gravitačního zákona. Tyto snahy se zatím nejeví jako příliš opodstatněné a perspektivní; temná hmota může být vysvětlena jednoduššími způsoby. Či dokonce může být jen chybou modelu rozložení standardní baryonické hmoty v galaxiích a kupách galaxií..?..

Průzračnost a velkorozměrová dominantnost temné hmoty
Temné hmoty by v galaxiích a kupách galaxií mělo být cca 10-krát více než hmoty svítící (či záření absorbující) - je ve velkách prostorovách měřítcích dominantní. Název "temná hmota" by mohl vést k mylné představě, že tato látka bude pohlcovat světlo podobně jako temná oblaka mezihvězdného prachu. Nic takového se nepozoruje, "temná" či lépe řečeno "skrytá" hmota je pro světlo i další elektromagnetické záření dokonale průzračná. Nevyzařuje, nepohlcuje ani neodráží elektromagnetické záření, vykazuje pouze univerzální gravitační interakci a patrně i slabou interakci (viz níže). Pokud tomu tak je, temná hmota není schopna disipovat svou vnitřní energii, nemůže se ve větším množství "usadit" v blízkosti hvězd, její akrece je nepatrná. Může se shromažďovat a gravitačně vázat jen v obrovských seskupeních hmoty jako jsou galaxie a kupy galaxií. Lze říci, že temná hmota je jakousi "páteří", či "kostrou", na kterou se "nabaluje" běžná svítící hmota.
   Vedle svého gravitačního vlivu na pohyb svítících astronomických objektů (hvězdy, galaxie) se temná hmota projevuje přitažlivým gravitačním vlivem na šíření světla - efekty gravitační čočky
(§4.3, část "Gravitační čočky"). Pro zakřivování elektromagnetických paprsků je úplně jedno, zda gravitující látka je zářící nebo temná. Tímto způsobem "gravitačního čočkování" by bylo možno odhalit distribuci temné hmoty i bez přímé vazby na svítící hmotu (třebas hypotetických "temných galaxií").

Vzniká přirozeně otázka, čím je tato skrytá temná hmota tvořena? Především by to mohly být obvyklé formy hmoty jako je ionizovaný mezigalaktický plyn, molekulární oblaka, "infračervení" či "hnědí" trpaslíci podobní Jupiteru (hvězdy o tak malé hmotnosti, že nedošlo k zapálení termonukleárních reakcí), vyhořelé hvězdy 1.generace, po nichž zbyli černí trpaslíci, neutronové hvězdy, černé díry a podobně. Tato složka se označuje jako baryonová temná hmota a v zásadě se příliš neliší od běžně známé látky složené z atomů (více než 99,9% hmotnosti je zde tvořeno baryony - protony a neutrony v jádrech atomů). Mohly by to být i početné malé černé díry (valná část degenerované hmoty ukryté v černých dírách má baryonový původ), včetně černých děr primordiálního původu.
   Většina astrofyziků se však kloní k názoru, že největší část (skryté) hmoty ve vesmíru je obsažena v tzv. "nebaryonické" látce *) jako jsou neutrina nebo některé "exotické" struktury vytvořené z kvarků, hypotetických gravitin, axionů, s-neutrin (zvaných též neutralina) a pod. Tyto exotické částice nebaryonové povahy se souhrnně označují jako WIMP (Weakly Interacting Massive Particles - slabě interagující hmotné částice) - viz §1.5 "Elementární částice" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
*) Tento názor vychází hlavně z podrobného rozboru kosmologické teorie prvotní nukleosynthézy, podle níž hustota baryonů při nukleosynthéze musela být zhruba o jeden řád nižší než kritická, aby bylo možno vysvětlit pozorované relativní zastoupení lehkých prvků (především deuteria) - srovnejme s poznámkou pod čarou v §5.4, pasáž "
Leptonová éra - Prvotní nukleosyntéza"). Všechny známé atomy dohromady (tedy především jejich jádra složená z baryonů) proto nestačí vysvětlit skrytou látku, její gravitační působení.
   Jako první kandidáti na složení temné hmoty by se přirozeně nabízela neutrina. Pokud by neutrina měla nenulovou klidovou hmotnost větší než asi 5 eV/c2, mohla by jejich sumární gravitace dokonce vést k vesmíru uzavřenému. Klidová hmotnost neutrin byla poprve změřena v r.1982, tehdy však velmi nepřesně. Novější měření hmotnosti neutrin (zmíněná např. v části "Neutrina- duchové mezi částicemi" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření") udávají klidovou hmotnost neutrin mon 2 eV. Tato otázka zůstává otevřená, astrofyzikové většinou o podstatném zastoupení neutrin ve skryté hmotě vesmíru pochybují, odhadují jej nanejvýš na pouhá asi 1-2%. Neutrin je sice ve vesmíru velké množství (spolu s fotony jsou to nejhojnější částice), ale jejich klidová hmotnost je příliš malá na to, aby mohla vysvětlit pozorované velké množství gravitující temné hmoty. Navíc, vzhledem k nízké klidové hmotnosti se neutrina pohybují vysokými rychlostmi: taková hmota tvořená lehkými rychlými částicemi by byla příliš "horká" *), takže by nemohla tvořit pozorované gravitačně vázané struktury a nevysvětlila by pozorovanou hierarchii galaxií - kup galaxií. Temná hmota by proto měla být tvořena spíše těžšími pomaleji se pohybujícími částicemi.
*) Podle rychlosti pohybu částic, tvořících temnou hmotu, ji lze rozdělit na dva druhy:
¨ Horká temná hmota je tvořena lehkými částicemi pohybující se velkými rychlostmi, srovnatelnými s rychlostí světla (takové částice za dobu existence vesmíru tedy mohly prolétnout podstatnou část pozorovatelného vesmíru). Takovéto částice velmi rychle opustí místa gravitačních fluktuací. Horká temná hmota tedy nemohla stimulovat vznik struktur ve vesmíru od původně malých fluktuací k velkým celkům (rychlý pohyb částic by tyto fluktuace spíše zahladil). Mohly by vznikat jen velké struktury - nejprve nadkupy galaxií, z nich kupy galaxií, pak galaxie.
¨ Chladná (kryogenní) temná hmota je tvořena těžkými částicemi, pohybujícími se malými rychlostmi ve srovnání s rychlostí světla. Takové pomalé částice chladné temné hmoty mohly být gravitačně přitahovány malými fluktuacemi rozložení hustoty v raném vesmíru a tyto fluktuace dále zvětšovat. Chladná temná hmota tedy může stimulovat vznik velkorozměrových struktur ve vesmíru "zdola-nahoru": od galaxií, přes kupy galaxií až po nadkupy galaxií.
   Temná hmota ve vesmíru se patrně skládá z obou těchto druhů, avšak převážnou část tvoří její chladná složka. Astronomická pozorování (fluktuace reliktního záření, rozložení galaxií a kup galaxií, počítačové simulace) totiž svědčí o vzniku velkorozměrové struktury vesmíru směrem "zdola-nahoru".
   Neutrina jsou tedy jen minoritní složkou temné hmoty. Hlavními "kandidáty" na skrytou látku ve vesmíru tak bohužel zůstávají hypotetické dosud neobjevené částice ze skupiny WIMP (Weak Interacticg Massive Particles - slabě interagující masívní částice). Podle unitární teorie sypersymetrie by měl ke každé částici existovat "superpartner", lišící se m.j. spinem (u částic s poločíselným spinem by superpartner měl celočíselný spin a naopak). Předpokládá se, že v raném vesmíru vznikalo velké množství těchto superčástic. Většina se jich později rozpadla, avšak v důsledku narušení levo-pravé symetrie zde mohly zůstat (levotočivé) reliktní superčástice - WIMP, interagující s hmotou jen slabou a gravitační interakcí. Částice WIMP se samovolně nerozpadají, ale při vzájemných srážkách se přeměňují ("anihilují") na dvojice částice X a její antičástice. Mohlo by se jednat třebas o neutralina (viz část "Hypotetické a modelové částice" v §1.5 shora zmíněné monografie v elektronické verzi). Neutralina (supersymetrické částice k neutrinům) mají poměrně značnou klidovou hmotnost, odhadovanou na cca 50-200 hmotností protonu. Pokud existují těžké WIMPy, k vysvětlení gravitačního účinku temné hmoty by stačilo jejich relativně malé početní zastoupení (jednotky % vzhledem k počtu baryonů) *); tvořily by žádoucí "chladnou" složku temné hmoty.
*) S tím souvisí obtížná detekovatelnost těžkých WIMP částic skryté hmoty. Zatímco neutrin je obrovské množství, takže z těch triliónů neutrin se občas nějaké podaří detekovat (
Detece neutrin) **), četnost interakcí WIMPů s částicemi naší běžné hmoty, či vzájemně mezi sebou, je natolik nízká, že je pod hranicí nynějších možností detekovatelnosti. S pokrokem elektroniky a detekční techniky však lze doufat, že se to nakonec přece jen podaří...
**) Je ale třeba podotknout, že detekovat umíme jen vysokoenergetická neutrina, pocházející z jaderných reakcí ve hvězdách (ze Slunce), z výbuchu supernovy, či z interakcí kosmického záření. Kosmologický význam však mohou mít spíše nízkoenergetická neutrina (reliktní, primordiálního původu), která detekovat neumíme.
  Další částice, o nichž se někdy uvažuje v souvislosti s temnou hmotou, jsou axiony - hypotetické částice zavedené v rámci kvantové chromodynamiky jako kvanta polí kompenzující u silné interakce narušení CP-symetrie. Axiony nemají elektrický náboj a jen velmi málo interagují s hmotou prostřednictvím slabé a silné interakce. Mají zcela nepatrnou hmotnost (srovnatelnou nebo menší než neutrina), takže k vysvětlení skryté hmoty by jich ve vesmíru muselo být obrovské množství; mohly by snad pocházet z procesů narušování symetrie a oddělování interakcí v nejranějším stádiu vesmíru. Axiony by mohly tvořit "horkou" složku temné hmoty, spolu s neutriny.
   Posledním kandidátem na temnou hmotu by mohla být tzv. zrcadlová hmota, hypoteticky postulovaná v souvislosti s paritní symetrií a jejím narušením při slabých interakcích částic (je rovněž popsáno v
části "Hypotetické a modelové částice", pasáž "Stínová či zrcadlová hmota - Katoptrony ?", v §1.5 monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření").

Nové aspekty v problematice vzdálené budoucnosti vesmíru, ve vztahu ke střední hustotě hmoty v pozorované části vesmíru, přináší nyní předpokládaná inflační expanze raného vesmíru. V důsledku tohoto inflačního stádia by totiž poloměr vesmíru byl zřejmě mnohonásobně (o mnoho řádů) větší než horizont, tj. než pozorovatelná oblast vesmíru. "Místní" hustota v pozorované části vesmíru se pak od globální střední hodnoty může poněkud lišit. To ale znamená, že ani značně přesné stanovení průměrné hustoty hmoty v pozorovaném vesmíru nedokáže samo o sobě rozhodnout mezi uzavřeným a otevřeným vesmírem, zvláště pokud tato změřená hustota bude blízká kritické hustotě. Během dostatečně dlouhé doby se totiž hustota hmoty v nyní pozorované části vesmíru "promíchá" s hustotou látky v ostatních částech vesmíru a celková hustota se může přesunout na "opačnou stranu" hranice r = rkrit než nyní. Připomeňme přitom, že podle současné kvantové kosmologie inflačního modelu by vesmír měl být nejspíš uzavřený, i když velmi blízký rovinnému, jak bylo zmíněno v předchozím odstavci a jak to nepřímo plyne i z antropického principu (§5.7). Viz však "Akcelerovaná expanze vesmíru? Temná energie?" v závěru této kapitoly.

Astrofyzika a kosmologie: - lidská beznaděj?
Reflektujeme-li z našeho
lidského hlediska poznatky současné astrofyziky a kosmologie o evoluci vesmíru (a zkombinujeme to s ostatními riziky), nutně to v nás vyvolá pocit beznaděje v konečné perspektivy a smysl naší existence - trvání lidské civilizace! Nebezpečí pro lidstvo hrozí z několika směrů (uvádíme je v pořadí podle rozsahu a též v časovém pořadí podle potenciální akutnosti) :
¨ Od lidské společnosti
Nejakutnější nebezpečí si připravujeme sami. Chamtivost, sobectví a pýcha (zvláště mezi "celebritami" - bohatými a mocnými tohoto světa, kteří si činí nároky na nadvládu a manipulaci ostatních lidí) plodí nenávist a
vražedné války (často s náboženskými záminkami). Při použití nynějších zbraní hromadného ničení mohou případné globální válečné konflikty ohrozit celou lidskou civilizaci. Konzumní společnost vede k plýtvání přírodními surovinami, zamořování odpady a celkové devastaci životního prostředí. Dochází k přemnožování lidí, především neproduktivními jedinci, kteří budou parazitovat na přírodě i společnosti - týká se to především Afriky a Indie (vč. Pákistánu), dalších islámských zemí a některých problémových menšin v západních zemích. Pokud se nepřikročí k rozsáhlé osvětě a účinné regulaci porodnosti, může tato populační exploze vést ke krvavým válkám a devastaci přírody, ohrožující celou lidskou civilizaci. V zájmu pokojného mírového rozvoje rovněž bude nutno odstranit či transformovat nespravedlivé společenské systémy založené na nerovnosti lidí, jakož i vykořenit náboženské pověry a předsudky, zvláště dogmatické a radikální směry - mnozí "věřící" jsou indoktrinovaní (či výstižněji řečeno "zblbnutí") zločinnou náboženskou ideologií, v jejímž jméně jsou schopni vraždit své bližní..!..
Pouze tehdy, když lidstvo svorně "potáhne za jeden provaz", bude snad schopno v budoucnu odvrátit některá strašlivá nebezpečí zmíněná níže..?..

¨ Od zemské atmosféry
Na vhodném klimatu (teplotě, vlhkosti, tlaku) pro různé druhy života, včetně nás lidí, se významným způsobem podílí atmosféra Země. Nyní se často diskutuje zvyšování koncentrace tzv.
skleníkových plynů (především CO2), které může vést k nepříznivému zvyšování teploty v naší biosféře; v krajním případě až na teploty neslučitelné se životem. Do jaké míry se na tom podílí lidská činnost je předmětem odborných diskusí. Země postupně ztrácí svou atmosféru vypařováním do okolního vesmíru a nakonec by mohla skončit zcela bez atmosféry - "mrtvá planeta" (srov. se scénářem destrukce atmosféry v následujícím odstavci).
¨ Od planety Země
Smrtelná nebezpečí nám hrozí i od naší "matičky Země". Žijeme na tenké skořápce zemské kůry (rozlámané do řady
litosférických desek), pod níž zuří pekelná výheň roztavených hornin. Na styku litosférických desek dochází k zemětřesením a sopečné činnosti. Pod tenkou slupkou zemské kůry, v zemském plášti, jako "časovaná bomba" tepelnou konvekcí stoupají mohutné proudy žhavých roztavených hornin. Pokud se protaví až k povrchu, pod velkým tlakem prudce vytryskne láva jako ničivý supervulkán. Takový supervulkán může zničit nejen území o rozloze stovek kilometrů, ale množství sopečného plynu a prachu (tisíce km3) může zastínit sluneční záření a způsobit celoplanetární ekologickou katastrofu s radikální změnou klimatu. Za jednou z oblastí nejvíce ohroženou ničivým supervulkánem je považován Yelowstoneský národní park v severní Americe.
   Dalším rizikem ve vzdálené budoucnosti může být slábnutí magnetického pole Země, které ji chrání před proudem nabitých částic ze Slunce. Magnetické pole Země je generováno v rotující polotekuté vnější části jádra, která funguje jako magnetohydrodynamické "dynamo". V pozdnějších fázích vývoje planety se toto jádro ochlazuje a tuhne, čímž magnetické pole slábne a nakonec vymizí. Pro příp. život na povrchu planty to má dva nepříznivé důsledky. Do biosféry začne z vesmírného prostoru pronikat větší množství tvrdého ionizujícího záření, působícího škodlivě na živé organismy. Dále, intenzívní proud nabitých částic emitovaných hvězdou ("sluneční vítr") destruuje atmosféru a může ji "rozprášit" do okolního vesmíru. Ztráta atmosféry vede k rychlejšímu vypařování vody, jejíž pára je hvězdným větrem rovněž odnášena do vesmíru. Ztráta atmosféry a vody by byla neslučitelná s pokračováním života na naší planetě.
¨ Z blízkého vesmíru - asteroidy
Ve sluneční soustavě obíhají kolem Slunce nejen dobře známé planety včetně naší Země, ale i velké množství menších těles nejrůznějších rozměrů, od zlomků milimetru, několik centimetrů a metrů (meteority) až po desítky i stovky kilometrů -
planetky neboli asteroidy (název "asteroid", který znamená "hvězdě podobný" vznikl z toho, že tato sluncem ozářená blízká tělíska v pozemském dalekohledu vypadají jako malé svítící body, stejně jako vzdálené hvězdy; na rozdíl od hvězd se však pohybují po obloze podobně jako planety). Některá z těchto těles křižují obežné dráhy planet, mohou se s nimi srážet, být zachyceny jejich gravitací a dopadat na jejich povrch velkými rychlostmi desítky kilometrů za sekundu. Všechny terestrické planety jsou hustě posety impaktními krátery po dopadech těchto těles.
Rovněž oběžnou dráhu naší Země křižují tisíce shora zmíněných těles. Malá tělíska "shoří" v atmosféře jako meteory; odhaduje se, že každý rok takovýto meteorický spad představuje řádově miliony tun. Před malými "kosmickými projektily" nás účinně chrání zemská atmosféra, v nichž malá meteorická tělíska shoří a na povrch vůbec nedopadnou. Ani větší meteority, které dopadnou na zemský povrch, nepředstavují větší nebezpečí, neboť třením v atmosféře ztratí téměř veškerou kinetickou energii (a odpaří se i valná část jejich hmoty).
Bohužel však oběžnou dráhu Země křižují i dráhy větších těles a
asteroidů (naštěstí většinou v době, kdy se v daném místě zrovna Země nenachází). Reálné nebezpečí hrozí od větších těles průměrů desítek metrů s hmotností přes 1000 tun (způsobila by "jen" lokální katastrofu). Existuje však určitá pravděpodobnost, že se asterioid dostane na kolizní dráhu se Zemí a dojde ke srážce Země s asteroidem - "žijeme na kosmické střelnici", říkají astronomové. Při dopadu planetky velikosti několika kilometrů o hmotnosti větší než 1012kg by se naráz uvolnila energie větší než 1022J, což odpovídá explozi asi miliónu termonukleárních bomb. Kromě okamžitého zničení území o rozloze tisíců kilometrů by to způsobilo (podobně jako u výše zmíněného supervulkánu) vyvržení obrovského množství hornin, plynu a prachu do atmosféry. Zpětný pád roztavených hornin na povrch by způsobil ohnivý meteorický déšť, který by mohl spálit značnou část zemského povrchu. Velké množství vyvrženého prachu by v atmosféře mohlo zůstat několik let, což by na delší dobu výrazně oslabilo sluneční záření. Vedlo by to ke globální ekologické katastrofě s radikální změnou klimatu. Lidstvo by to asi nepřežilo! Předpokládá se, že k takovému pádu asteroidu došlo před 65 miliony let, kdy náhle vyhynuli dinosauři a většina tehdejších druhů fauny a flóry. Ke střetu Země s kosmickými tělesy rozměru asteroidů došlo v minulosti několikrát a je pravděpodobné, že k tomu bude docházet i v budoucnosti - s fatálními důsledky pro pokračování lidské civilizace; zatím nemáme možnost takové kosmické katastrofě zabránit...
Jak zabránit srážce s asteroidem?
Současná astronomická technika umožňuje nalézt "rizikové" asteroidy a předpovědět možnou kosmickou kolizi. Jsou v principu dva možné způsoby odvrácení hrozící katastrofy:
1. Pokud bychom znali s dostatečným předstihem budoucí dráhu takového potenciálně nebezpečného kosmického tělesa, mohli bychom odvrátit hrozící srážku tím, že změníme jeho dráhu. Takové vychýlení dráhy by se dalo uskutečnit působením síly, nejlépe kolmo k okamžitému směru pohybu. Diskutuje se použití jaderné nálože, energie jejíhož výbuchu by způsobila "raketový efekt" (především vyvržením roztaveného materiálu z kráteru), vedoucí k odchýlení dráhy asteriodu.
2. Další možností by bylo rozbití tělesa explozí, přičemž řada fragmentů by se pohybovala po původní dráze a na Zemi by dopadly. Jednotlivé úlomky by snad nemusely způsobit globální katastrofu. Je to ale dikutabilní a ne příliš optimální způsob.
   K žádnému z těchto zásahů však zatím nedisponujeme dostatečnou raketovou technikou (snad za 50 let? - za předpokladu, že by lidstvo neplýtvalo silami na nesmyslné politické a náboženské spory, zbrojení a války!). Zatím bychom museli jen nečinně přihlížet, jak nám asteroid "padá na hlavu"...
¨ Ze vzdáleného vesmíru - výbuch supernovy, gama záblesky
Kdyby některá z bližších či "okolních" hvězd, ve vzdálenosti do cca 30 světelných let, vybuchla jako
supernova, nesmírné množství zářivé energie, především tvrdého ionizujícího záření, které by Zemi zasáhlo, by patrně způsobilo obrovskou přírodní katastrofu, která by mohla vážně ohrozit samotnou existenci života zde na Zemi! Dokonce i z ještě vzdálenějšího vesmíru, stovek i tisíců světelných let, pro nás mohou být potenciálně nebezpečné úzce kolimované gama-záblesky, vysílané kolabujícími objekty - masívními hvězdami, srážkami neutronových hvězd, akrečními disky kolem černých děr - pokud jejich rotační osa je natočena ve směru k nám (zasáhly by ovšem nejen Zemi, ale celou sluneční soustavu...). Z astrofyzikálního hlediska jsou tyto vysoce energetické události diskutovány v §4.2, část "Výbuch supernovy. Neutronová hvězda. Pulsary." a §4.8, část "Akreční disky kolem černých děr. Kvasary.".
   Riziko kosmického záření z katastrofických procesů ve vesmíru je diskutováno v pojednání "
Kosmické záření", část "Biologický význam kosmického záření", pasáž "Smrtící kosmické záření" §1.6 monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
¨ Ze Slunce
I kdyby se nám podařilo odvrátit katastrofu srážky Země s asteroidy, ničivé války, přežít supervulkány a různé ekologické katastrofy, ochránit Zemi před mohutným zábleskem kosmického záření z výbuchu blízké supernovy či splynutí neutronových hvězd, zahubí nás naše životodárná hvězda Slunce. Během následujících 3 miliard let zvýší Slunce svůj současný zářivý výkon o asi 40
%. Teplota na Zemi stoupne o desítky stupňů, oceány se vypaří a veškerý život zanikne. Za cca 5 miliard let Slunce vyčerpá zásobu termonukleárního paliva (především vodíku) a dostane se do závěrečných fází své evoluce (viz §4.1, část "Pozdní stádia evoluce hvězd"). Slunce se pak "nafoukne" a jako rudý obr nejprve pohltí a vypaří všechny vnitřní planety včetně Země *), vytvoří "planetární" mlhovinu a samo se později stane bílým trpaslíkem.
*) Slunce ve stádiu červeného obra bude dost velké na to, aby pohltilo Merkur, Venuši, Zemi i Mars, pokud by obíhaly ve stejné vzdálenosti jako dnes. Země a Mars by se ale možná mohly tomuto osudu vyhnout díky následujícímu efektu:
   V pozdních stádiích, při zvýšeném zářivém výkonu, bude Slunce vyzařovat podstatně více "slunečního větru", který bude odnášet značné množství materiálu Slunce pryč do prostoru mimo sluneční soustavu. Celková hmotnost Slunce se tím bude snižovat, což povede ke zvyšování poloměru oběžných drah planet. Pokud se takto sníží hmotnost Slunce dostatečně, může Země obíhat v již bezpečné vzdálenosti, kam nafouknutý povrch Slunce nedosáhne..?.. Avšak i kdyby k tomuto příznivému vývoji došlo, byla by v té tobě Země pustou planetou se žhavým vysušeným povrchem, na níž by život již dávno nemohl existovat!
   Jedinou možností, jak dlouhodobě zachovat obyvatelnost Země proti rostoucímu zářivému výkonu Slunce, je postupné zvyšování oběhové vzdálenosti Země kolem Slunce. Stačilo by to velmi pomalu, řádově milimetry za rok. V současné době je to sci-fi, žádné technické prostředky k tomu nemáme. Ve vzdálenější budoucnosti však naši potomkové budou pravděpodobně disponovat mnohem většími energetickými zdroji. Kromě toho by k uvedení Země na vyšší oběžnou dráhu v principu bylo možno využít i gravitaci a energii asteroidů, které by se daly opatrně navést na blízkou korotující dráhu se Zemí tak, aby gravitačně předávaly kinetickou energii Zemi ve směru oběhu. Takto by se, aspoň v principu, dala zachovat obyvatelnost Země životem na cca 5 miliard let. V konečných fázích vývoje Slunce by to však byl již problém, protože jeho vyzařování se mění poměrně rychle. Země by byla zasahována vysokoenergetickými proudy plynů z expandující obálky. Pak by se "užitečná" zářivost Slunce - bílého trpaslíka - pronikavě snížila a v záření by převládla tvrdá ultrafialová složka. Země na vzdálené oběžné dráze by zmrzla, bylo by potřeba ji rychle přesunout naopak na blízkou oběžnou dráhu. Kdybychom pro udržení teploty ve sci-fi představě Zemi přemístili na velmi blízkou oběžnou dráhu, intenzívní UV záření by zlikvidovalo atmosféru a život. V té době však lidská civilizace, pokud vůbec přežije, bude jistě již transformována do úplně jiné podoby - viz pasáž "Umělá inteligence a transhumanismus" práce "Antropický princip aneb kosmický Bůh"...
¨ Z globální evoluce - zánik Vesmíru
Lidem se možná (?) do té doby podaří ze Země a ze sluneční soustavy uniknout a osídlit jiné vhodné objekty ve vesmíru (zatím je to čiré sci-fi!). Avšak co dál? Pokud by vesmír byl uzavřený a zkolaboval by do "ohnivé pece" velkého krachu, neměli bychom zřejmě žádnou naději. Pokud by vesmír byl otevřený, tak fatální konec by nám principiálně nehrozil, aspoň ne v dohledné budoucnosti. Avšak v expandujícím a neustále chladnoucím vesmíru by bylo čím dál obtížnější najít okrsky lokální fluktuace entropie, kde by ještě existovaly dostupné zdroje energie *) pro rozvoj a udržení civilizace. "Tepelná smrt vesmíru" by nakonec znamenala i smrt lidské civilizace (bylo diskutováno na začátku této kapitoly, pasáž "Otevřený vesmír").
*) Živá hmota přijímá potravu, což je uspořádaná forma energie, a větší část z ní přeměňuje v teplo - neuspořádanou formu energie. I kdyby ve vzdálené budoucnosti došlo k transformaci civilizace a inteligentního zpracování informace z prostředí živé hmoty např. do elektronické formy (jak je diskutováno v pasáži "Umělá inteligence a transhumanismus" práce "Antropický princip aneb kosmický Bůh"), základní termodynamický proces by se v principu nezměnil (pronikavě by však vzrostla energetická účinnost zpracování informace!). I na uspořádání elektronických paměťových prvků do určitého stavu je třeba vynaložit energii, přičemž její část se vždy rozptýlí v podobě tepla a zvýší tím neuspořádanost celé soustavy; tento přírustek neuspořádanosti je podle zákonů termodynamiky vždy vyšší, než přírustek uspořádanosti v paměti. Tato koncepce by jen oddálila zánik civilizace tepelnou smrtí.
   Určitou, avšak jen fiktivní naději ve věčné trvání života, by mohla představovat koncepce "multiverza" - nekonečného množství vesmírů (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.", část "Chaotická inflace", pasáž "Vznik více vesmírů"). I když jednotlivý konkrétní vesmír "zemře" kolapsem nebo tepelnou smrtí, multivesmír jako celek bude žít dál - věčně, přičemž v jednotlivých vesmírech mohou vznikat nové životy. Toto však není naděje pro nás..!..
   V každém případě můžeme konstatovat, že poznatky a teorie současné astrofyziky a kosmologie nám bohužel neukazují žádnou reálnou perspektivu věčné existence a rozvoje naší lidské civilizace! Můžeme se však utěšovat tím, že naše nynější vědění jistě není absolutní a definitivní. Je toho mnoho, co zatím neznáme a snad ani netušíme... A z této naší neznalosti můžeme snad přece jen čerpat určitou naději ..?..

-------- níže uvedené poznatky vznikly až po sepsání knihy "Gravitace, černé díry ...", takže v knižním vydání nebyly obsaženy -----

Kosmologické překvapení:
Akcelerovaná expanze vesmíru? Temná energie?

Podle standardního kosmologického modelu (§5.4) je expanze vesmíru brzděna přitažlivými gravitačními účinky hmoty a tudíž se musí zpomalovat - a to jak v uzavřeném vesmíru (kde posléze přejde v kontrakci), tak i v otevřeném vesmíru (kde se rozšiřování bude zpomalovat, avšak nikdy se zcela nezastaví). Ostatně, pro kvantifikaci zpomalování expanze vesmíru jsme v §5.3 zavedli tzv. decelarační parametr q. Nyní víme, že ke zpomalování expanze vesmíru rozhodujícím způsobem přispívá svou gravitací především nezářící temná hmota. Kosmologická konstanta v Einsteinových gravitačních rovnicích podle dosavadních představ mohla snad sehrát rozhodující roli při inflační expanzi vesmíru na samém počátku (jak bylo podrobněji rozebíráno v §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír."), avšak pro další evoluci vesmíru ji nebylo třeba uvažovat.
   Jak bylo rozebíráno v §5.1 a 5.3, dynamiku expanze
(popř. kontrakce) vesmíru, tj. časový průběh měřítkového faktoru či expanzní funkce a(t), lze zjišťovat stanovením vztahu mezi kosmologickým rudým posuvem Z ve spektru vzdálených objektů a jejich vzdálenostmi. Tyto vzdálenosti se odvozují z poměru skutečné a pozorované (zdánlivé) luminozity vhodných "standardních svíček". Pro velké kosmologické vzdálenosti jsou vhodnými "standardními majáky" supernovy typu Ia (SN Ia; jsou podrobněji popsány v §4.2, část "Výbuch supernovy. Neutronové hvězdy.", pasáž "Typy supernov a jejich astronomická klasifikace"), které jsou astronomové v současné době pomocí velkých teleskopů schopni pozorovat až do vzdáleností větších než 6 miliard světelných let. Supernovy Ia lze identifikovat podle tvaru spektra, jejich jasnost se určuje z průběhu světelné křivky - nárustu, vrcholu a poklesu jasnosti supernovy. Fotometrická měření takových různě vzdálených supernov (s různým Z) umožňuje určit, jak se vesmír rozpínal v různých časových obdobích.
   Astronomického "mapování" dynamiky expanze vesmíru pomocí fotometrického měření velkého počtu supernov typu Ia se v letech 1998-99 ujaly především dvě skupiny amerických astronomů. První z nich vedl A.Reiss a B.Schmidt
(Space Telescope, Baltimore) v rámci projektu "High-Z Supernova Search " - hledání supernov s velkým rudým posuvem Z. Druhou skupinu ("Supernova Cosmology Project") vedl S.Permutter (Lawrence Berkeley Laboratory). Původním cílem těchto pozorování bylo zjistit, jak velké je zpomalování expanze vesmíru. Tato přesná měření vzdáleností supernov typu Ia *) ukázala, že velmi vzdálené supernovy typu Ia (s velkou hodnotou Z) jsou méně jasné, než by odpovídalo jejich kosmologickému červenému posuvu Z ve vesmíru, jehož rozpínání se vlivem gravitačních účinků hmoty zpomaluje (o dynamice expanze vesmíru viz §5.3). U bližších supernov s menším Z odpovídal vztah mezi vzdáleností a rudým posuvem standardnímu scénáři. Avšak ty nejvzdálenější galaxie jako by "něco" zahnalo dál, než obvyklé Fridmanovské rozpínání vesmíru. Z takto změřeného vztahu mezi kosmologickým rudým posuvem a vzdáleností supernov bylo s překvapením vypozorováno, že expanze vesmíru se v současné době patrně nezpomaluje, ale naopak zrychluje! Expanze vesmíru se standardně zpomalovala jen zhruba do poloviny nynějšího věku vesmíru (do cca 7 miliard let), ale pak se začala zrychlovat, což stále pokračuje.
*) Supernova typu Ia vzniká v těsné dvojhvězdě z obří hvězdy a bílého trpaslíka, kde dochází k přenosu látky z obra na bílého trpaslíka, jehož hmotnost postupně roste, posléze překročí Chandrasekharovu mez (1,4 M¤) a bílý trpaslík se zhroutí do neutronové hvězdy, což se projeví jako výbuch supernovy typu Ia - viz §4.2, část "Výbuch supernovy. Neutronové hvězdy.". Výchozí hmotnost a proto i množství uvolněné energie je pokaždé prakticky stejné, takže z relativní pozorované jasnosti lze stanovit vzdálenost takové supernovy typu Ia, a to nezávisle na spektrometricky změřeném kosmologickém rudém posuvu z = (l - lo)/lo záření ze supernovy (lo je vlnová délka určité spektrální čáry v okamžiku to vyslání paprsku, l je vlnová délka téže čáry v okamžiku t zachycení paprsku). V §5.3 byla pro popis evoluce vesmíru zavedena měřítková (expanzní) funkce a(t) udávající, jak se s časem t mění vzdálenosti v expandujícím vesmíru. Pro dva časové okamžiky to a t platí mezi hodnotami měřítkové funkce a a kosmologického červeného posuvu z jednoduchý vztah z = (a - ao)/ao, kde ao charakterizuje rozměry vesmíru v době to vyslání paprsku a a rozměry vesmíru v době t jeho zachycení. Z toho a = (1+z).ao, takže z naměřeného kosmologického rudého posuvu můžeme stanovit, jak se změnily rozměry vesmíru od doby, kdy byl vyslán dnes zachycený světelný paprsek. Pečlivým rozborem záření z většího počtu různě vzdálených supernov lze zjistit vztah mezi kosmologickým rudým posuvem a vzdáleností supernov, z čehož lze "vystopovat", jakým způsobem se vesmír rozpíná. A právě tato měření ukazují na časovou závislost a(t) podobnou křivce L>LE na obr.5.3c v §5.3, podle níž se rychlost expanze vesmíru v raných stádiích zpomalovala, ale v současné době se zvyšuje obr.5.3':

Obrázek 5.3 si zde pro názornost uvedeme znovu (s červeným vyznačením pro tuto problematiku důležité křivky):

Obr.5.3´. Evoluce kosmologických modelů - časový průběh poloměru
a (měřítkového faktoru) vesmíru, v závislosti na hodnotě kosmologické konstanty L a hustotě rozložení hmoty r (rkrit je hodnota kritické hustoty hmoty, aE a LE značí hodnoty poloměru vesmíru a kosmologické konstanty odpovídající Einsteinovu kosmologickému modelu).
Pro náš účel je zde důležitý graf L>LE na obr. c) vpravo, který vyjadřuje nově vypozorovanou dynamiku evoluce vesmíru, s pozdní akcelerovanou expanzí.

Regresní analýza Hubbleova diagramu naměřené závislosti relativní magnitudy supernov typu Ia na kosmologickém rudém posuvu nejlépe odpovídala křivce kosmologického modelu s parametry WM=0,29 a WL=0,71 (parametry W byly zavedeny v §5.3, pasáž "Relativní W-parametrizace kosmologických modelů"). Analýza podle Fridmanova kosmologického modelu (rovnice (5.23a) v §5.3) vedla k hodnotě kosmologické konstanty 1,2.10-52 m-2.
   Byla vyslovena hypotéza, že toto zrychlující se rozpínání je způsobeno všeprostupující vakuovou tzv. "temnou energií" se zápornou hustotou energie natolik velkou, že svými repulsivními účinky překonává gravitační působení veškeré hmoty ve vesmíru. Tato záhadná skrytá či temná energie je někdy označována jako "páté skupenství" či "kvintesence" (viz níže). Jak bylo ukázáno v §5.2, část "Kosmologická konstanta", dále v §5.3 a §5.5, taková vakuová temná energie by generovala kosmologickou konstantu L> 0 v Einsteinových rovnicích (5.7) obecné teorie relativity, vedoucí k zápornému tlaku, který by na kosmologických vzdálenostech vyvolával "antigravitační" odpuzování, působící opačně než gravitace běžné hmoty.
   Pokud hustota temné energie je časově konstantní nebo klesá pomaleji než hustota běžné hmoty (tj. pomaleji než 1/a
3 pro látku, popř. 1/a4 pro záření), odpovídal by scénář evoluce vesmíru křivce L>LE na obr.5.3´c): po skončení počáteční inflační expanze a nástupu expanze Fridmanovské by dlouhou dobu trvalo období decelerace, kdy gravitační účinky hmoty (zářící+skryté) převládají nad odpudivými silami temné energie a rozpínání se zpomaluje. Po náležitém snížení hustoty hmoty by nastal zvrat. Po krátkou dobu by obě síly byly vyrovnané ("nerozhodný vesmír"), pak by převládla temná energie a vesmírná expanze by posléze přešla ze stádia decelerace k akceleraci - stálému urychlování expanze vstříc "tepelné smrti" vesmíru...

Pokud nebude nalezeno přesvědčivé alternativní astrofyzikální vysvětlení pozorovaných údajů *) o vzdálených supernovách (např. mechanismy absorbce světla ze supernov v prachové složce mezigalaktické látky, rozdílné vlastnosti evoluce raných hvězd vzniklých z látky s menším zastoupením těžších prvků, popř. neadekvátní použití stávajících fyzikálních modelů na extrémně dlouhé časové intervaly), je třeba akcelerovanou expanzi vesmíru a existenci temné energie brát zcela vážně. Jednalo by se o jeden z nejpřekvapivějších a nejzáhadnějších objevů v celé historii astronomie!
*) Zpracování doplněného většího souboru vzdálených supernov poněkud snižuje statistickou významnost údajů z prvního pozorování (...bude doplněno....) ....
Tři indicie pro temnou energii
Vedle měření supernov Ia pro akcelerovanou expanzi vesmíru nepřímo svědčí i další dvě skupiny astronomických pozorování. Máme tedy tři nezávislé indicie:
× Měření supernov Ia - bylo uvedeno výše.
× Detailní rozbor nehomogenit reliktního záření, provedený družicemi COBE a WMAT ukázaly, že distribuce látky těsně po skončení éry záření svědčí pro účast rychlejší dynamiky expanze raného vesmíru. Ještě detailnější analýzu reliktního záření bude provádět družice PLANCK.
× Mapování velkorozměrové struktury vesmíru a její konfrontace s počítačovými simulacemi evoluce rozložení látky ve vesmíru rovněž ukazují, že pozorovaná struktura odpovídá zrychlené dynamice expanze vesmíru.
   Temná energie je velmi zředěná, avšak všudypřítomná a její účinek je kumulativní. V pozemských měřítcích i v rámci sluneční soustavy je neznatelná, ale v kosmickém měřítku celého vesmíru může být dominantní.

Vliv temné energie na evoluci vesmíru
Podle nynějších odhadů je ve vesmíru cca 70% temné energie, cca 25% temné (skryté, nezářící) hmoty a jen
»4% běžné ("svítící" či absorbující) látky přístupné pozorování. Pokud tedy skutečně bude existence temné energie (resp. nenulové kosmologické konstanty) definitivně prokázána, změní to naše představy o dynamice vývoje vesmíru, který by místo dosavadních dvou etap sestával ze 3 etap:

Původní obrázek 5.2 z §5.3, znázorňující evoluci uzavřeného vesmíru, si zde znovu překreslíme a doplníme, s akcentem na otevřený vesmír a dynamiku akcelerované expanze (obr.5.2'c):


Obr.5.2´. Různé možnosti dynamiky evoluce vesmíru. a) Uzavřený vesmír. b) Otevřený vesmír. c) Otevřený vesmír se závěrečnou akcelerovanou expanzí.

Skrytá (temná, nezářící) látka a skrytá (temná) energie hrají ve vesmíru v podstatě protichůdnou úlohu:
¨ Skrytá látka - drží vesmír a jeho struktury pohromadě, brzdí expanzi vesmíru. Vznik velkých struktur - galaxií a kup galaxií - byl způsoben distribucí především skryté látky v počátečních stádiích vesmíru (na počátku éry látky). A tato temná látka dosud gravitačně drží galaxie a kupy galaxií pohromadě.
¨ Skrytá energie - pokud převládne, svými odpudivými účinky naopak vznik struktur zastavuje a globálně nutí vesmír ke stále rychlejšímu rozpínání.
   V raném vesmíru nehrála temná energie žádnou roli
(s výjimkou inflačního stádia - §5.5), zatímco ve vzdálené budoucnosti může mít rozhodující vliv; je schopna dokonce "rozfouknout" vesmír a rozplynout ho v "nicotu" (viz níže "Velké roztržení?").

   Pokud se koncepce temné (skryté) energie ukáže být pravdivá, o konečném osudu vesmíru v budoucnosti bude rozhodovat "souboj" mezi temnou hmotou a temnou energií, mezi jejich přitažlivými a odpudivými gravitačními účinky. Viditelná zářící látka, vzhledem ke svému malému zastoupení, zde hraje jen podružnou úlohu - je "pasivně" unášena temnou hmotou a energií - jimi generovanou globální strukturou prostoročasu. Svítící látka nám však slouží jako zdroj elektromagnetického signálu, "indikátoru" umožňujícího mapovat rozložení a dynamiku pohybu hmoty ve vzdáleném vesmíru.

Podstata temné energie?
Temná energie pravděpodobně nemá obvyklou materiální, látkovou či částicovou povahu, jedná se spíše o polní vlatnost prostoročasu jako takového. I když přesnější astronomická pozorování snad umožní upřesnit zastoupení temné energie a dokonce odhadnout i její "stavovou rovnici" (tj. vztah mezi tlakem p a hustotou
r, viz §5.3), o vlastní podstatě temné energie, či alternativním vysvětlení příčiny akcelerované expanze vesmíru, bude v dohledné době možno jen spekulovat. Jsou v podstatě tři možnosti (hypotézy):
l Vakuová energie se záporným tlakem. V souvislosti s koncepcemi fázových přechodů v unitárních teoriích pole (rozebíraných na začátku §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.") byla vyslovena hypotéza, že se jedná o hustotu energie "falešného vakua" stejného druhu, jaká způsobila mohutnou akcelerovanou inflační expanzi na samém počátku vesmíru. I nynější vakuum by podle této hypotézy mohlo být "poněkud falešné", avšak rozdíl je v tom, že jeho hustota energie je o mnoho řádů menší než na počátku a proto způsobuje jen "mírně" akcelerovanou expanzi vesmíru. Tato hypotéza předpokládá, že hustota energie vakua je konstantní, neměnná v prostoru a čase, není závislá na expanzi vesmíru a může být ekvivalentně vyjádřena jako kosmologická konstanta L v Einsteinových gravitačních rovnicích (srov. §5.2, část "Kosmologická konstanta").
l Nový druh pole - 5.interakce, zvaná někdy též kvintesence (lat. quinta esentia = pátá podstata, přeneseně tresť, prapodstata), zaplňující prostor vesmíru. Pole této interakce již obecně nebude konstantní, ale jeho síla se může měnit v čase a může být odlišná v různých místech vesmíru. Mění se při expanzi vesmíru - mělo by s expanzí klesat (pokud bylo na počátku založeno s určitou konkrétní intenzitou), i když jiným tempem než hustota látky, záření či skryté hmoty. Ale obecně se toto neznámé pole 5.interakce může řídit a vyvíjet svou vlastní dynamikou, o které zatím nic nevíme, ale můžeme uvažovat tři možnosti. Jeho intenzita se může třebas v budoucnu začít zmenšovat natolik, že by se vesmír přestal rozpínat a začal se smršťovat, až by se nakonec zhroutil "velkým krachem", jak to předpovídá model uzavřeného vesmíru - obr.5.2'a (to se nyní nejeví jako příliš pravděpodobné...). Nebo může zůstávat přibližně konstantní, což povede k neustálému pomalému urychlování podobným scénářem jako u vakuové energie kosmologické konstanty (obr.5.2'b). Příp. bychom si mohli představit i růst intenzity pole kvintesence s časem, který by způsobil neomezenou akceleraci expanze vesmíru, při níž by mohly být všechny struktury ve vesmíru roztrhány (viz níže "Velké roztržení?"), obr.5.2'c.
l Odchylky od obecné teorie relativity: příčinou akcelerované expanze by mohla být poněkud odlišná dynamika evoluce vesmíru na extrémních kosmologických vzdálenostech, než jaká plyne z "klasické" obecné teorie relativity, dobře ověřené na kratších "astrofyzikálních" vzdálenostech. Je třeba vytvořit novou teorii gravitace..?.. Tato možnost se nezdá být příliš pravděpodobnou, modifikace stávající OTR by se neměla dostat do rozporu s jinými úspěšně vysvětlenými pozorováními a experimenty.
  Každopádně podstata temné energie je v současné době nejobtížnějším nevyřešeným problémem astrofyziky a kosmologie.

Pozdní akcelerovaně expandující vesmír
Zrychlující se expanze vesmíru, v koprodukci se standardním gravitačním přitahováním, by ve vzdálené budoucnosti dramaticky změnila vzhled vesmíru ve srovnání se současným stavem. Z globálního hlediska budou v takovém vesmíru probíhat dva protichůdné děje:
l Veškerá expandující hmota ve vesmíru - vzdálené galaxie které nejsou gravitačně vzájemně vázané - se budou zrychleně vzdalovat, až uniknou z našeho dohledu za horizont událostí, vizuálně i kauzálně "zmizí" (budou "vymeteny" z našeho vesmírného obzoru, vydálí se do "neviditelna"). Můžeme si to představit tak, že se mezi vzdálenými galaxiemi vytváří stále nový expandující prostor natolik rychle, že i světlo se jeví pomalé na to, aby udrželo krok s tempem rozpínání - nestačí dopravit informace mezi vzdálenými galaxiemi.
l Blízké galaxie budou naopak gravitační silou i nadále přitahovány k sobě a sloučí se do jediné obrovské "supergalaxie".
   Za několik set miliard let tak bude viditelný vesmír tvořen jedinou supergalaxií, kolem níž bude obrovská nepřekonatelná prázdnota. V daleké budoucnosti (stovky biliónů let) jednotlivé části a posléze i celá tato galaxie zkolabuje do gigantické černé díry; to by tedy byla jedna varianta konečné budoucnosti pozorovatelného vesmíru...
   
Pozn.: Jelikož vesmírný prostor expanduje homogenně, stejnou situaci by viděli i příp. pozorovatelé ("mimozemšťané") na vzdálených galaxiích. Pro ně by z dohledu unikla naše (a nám blízké) galaxie, gravitačně by se spojily zase tamní okolní galaxie...
   Srovnejme tuto neradostnou prognózu s výše uvedeným zamyšlením "Astrofyzika a kosmologie: - lidská beznaděj?". Za úvahu stojí i observační a gnoseologický aspekt tohoto vývoje. Pokud by se v pozdním akcelerovaně expandujícím vesmíru na planetě kolem některé hvězdy ve zmíněné supergalaxii vyvinula inteligentní civilizace (Země v této době již dávno nebude existovat), její astronomové by došli ke zcela jiným závěrům o vesmíru jako celku, než naši současní astronomové. Ani sebevětšími teleskopy by neuviděli žádné vzdálené galaxie, jejichž spektrální posuv by prozrazoval expanzi vesmíru. Reliktní záření (nyní mikrovlnné) se natolik rozředí a prodlouží, že přestane být měřitelné. Těžko říci, jakou by si tito budoucí pozorovatelé vytvořili kosmologickou teorii. Představa vesmíru vzniklého velkým třeskem by je asi ani ve snu nenapadla..?.. Všechny důkazy o počátku Vesmíru a jeho dřívější evoluci akcelerovaná expanze nenávratně "vymaže".
Pozn.:  Z hlediska současného scénáře vývoje vesmíru můžeme kvitovat, že máme štěstí žít ve vhodné době, kdy máme dobrý výhled do vzdáleného vesmíru a analýzou astronomických pozorování (nejen v optické a elektromagnetické oblasti) si můžeme učinit realistickou představu o vývoji vesmíru téměř až k období jeho vzniku.

Velké roztržení?
Pokud bude temná energie i nadále pohánět rozpínání vesmíru vzrůstající rychlostí, za cca bilon let si neuvidíme ani na "špičky prstů", protože vše kolem nás se bude vzdalovat nadsvětelnou rychlostí. Exponenciální průběh expanze vede ke stále se zrychlujícímu rozpínání, které by se teoreticky ve vzdálené budoucnosti mohlo blížit nekonečné rychlosti. Domyšlení tohoto scénáře "do konce" může vést k představě, že neustále se zrychlující expanze nejen že nejprve absolutně oddálí (za hranice horizontu) všechny vzdálené struktury ve vesmíru, jak bylo nastíněno výše v pasáži "Pozdní ekcelerovaně expandující vesmír", ale temná energie posléze přemůže všechny interakce a vazbové síly. "Antigravitačně" roztrhne od sebe i všechny vázané struktury - postupně galaxie, planetární soustavy, hvězdy. V konečné fázi by pak podle některých představ došlo k roztržení atomů a dokonce k rozervání samotných elementárních částic a snad i struktury prostoročasu. Takový scénář vývoje vesmíru se někdy označuje jako "velké roztržení" (Big Rip). Názory na tuto
(ostatně ryze hypotetickou!) otázku se různí :
¨ Podle "umírněného" názoru, z hlediska standardní OTR vycházející z principu ekvivalence (§2.2 a 2.3), by k ničemu takovému nemělo dojít *). Zrychlující se expanzi by vzájemně podléhaly pouze vzdálené objekty. Menší vázané systémy se vyvíjejí pod vlivem svých vnitřních vazbových sil; můžeme pro ně zavést přibližnou lokálně inerciální soustavu, v jejímž rámci nebudou fyzikální zákony prakticky ovlivněny globálním kosmologickým gravitačním polem expandujícího vesmíru. Např. elektronové orbity v atomech se s expanzí vesmíru nemění: nejsou vázány gravitačně, ale elektricky, přičemž v rámci lokálně inerciální soustavy tyto elektrické síly nijak nezávisí na rozprostřeném gravitačním pozadí. Ani v galaxiích ke kosmologickému rozpínání nedochází, protože přítomnost hmoty vede ke "kladnému" zakřivení prostoročasu, které překonává repulsivní síly. Pro srovnání viz též diskusi "Co se vlastně rozpíná a nerozpíná při expanzi vesmíru?" v §5.4.
*) Takový závěr by platil za obvyklého předpokladu konstantní (nebo klesající) hodnoty kosmologické konstanty, či hustoty temné energie, s expanzí vesmíru. Pokud by hypoteticky hustota temné energie (jakožto "kvintesence") s časem neomezeně rostla, podporovalo by to scénář "velkého roztržení"..?..
¨ Alternativní "radikální" názor, podporující koncepci "velkého roztržení" - big rip, argumentuje m.j. analýzou časové dynamiky horizontu událostí. S expanzí vesmíru horizont událostí každopádně zaujímá čím dál menší část celkového vesmíru. Při exponenciálním zrychlování expanze by se tento efekt stával stále více dominantním. DeSitterovský horizont událostí by se zmenšil na rozměry kup galaxií, pak galaxií, jejichž hvězdy by rozprášil do expandujícího prostoru. V závěrečných stádiích expanze by se horizont pronikavě zmenšoval na rozměry Sluneční soustavy, hvězd (Slunce), planet. Všechny tyto vázané soustavy by se rozpadly a "uletěly" od sebe pryč. Dokonce i u tak stabilních útvarů jako jsou černé díry by nakonec deSitterovský horizont "přebil" gravitační (Schwarzschildův) horizont a došlo by k destrukci černé díry. Posléze by došlo k roztrhání molekul, elektronových obalů atomů i atomových jader a jednotlivé elementární částice se od sebe navzájem tak vzdálí, že již fyzikálně "o sobě nebudou vědět", nebudou interagovat. Dále by došlo k rotrhání nukleonů na volné kvarky (repulzivní síly temné energie překonají zákon "kvarkového uvěznění"). Nesmírně obrovský Vesmír sice ještě existovat bude, ale ve stavu "tepelné smrti".
   Nakonec by deSitterovský horizont poklesl pod rozměry elementárních částic, které by byly roztrženy. Vzápětí by zanikla struktura prostoročasu v diskontinuitě metrického tenzoru gik, podobně jako je tomu u singularity prostoročasu (viz §3.7, §4.9; na rozdíl od "lokalizované" singularity černé díry by tato singularita byla všude). V topologické pěně vzniklé amorfní variety by se pak kvantovou fluktuací snad znovu mohla utvořit inflačně expandující oblast, která by mohla dát vzniknout novému vesmíru, jak to bylo popsáno v §5.5, pasáž "Chaotická inflace a kvantová kosmologie"). Tento hypotetický "nový vesmír" by ale neměl nic společného s původním "naším" vesmírem...
   Tento radikální scénář "velkého roztržení" je ale velmi nepravděpodobný, neboť hustota temné energie, pokud je konstantní nebo neroste příliš rychle, nikdy lokálně nepřevýší hustotu látky v galaxiích, hvězdách či atomech.
   V každém případě se zatím jedná jen o ryze spekulativní otázky, vyvolané možná poněkud ukvapenými závěry ze zatím sporadických astronomických pozorování..?..

Z prázdnoty do prázdnoty?
Sloučení představy kvantové kosmologie vzniku vesmíru chaotickou inflací a akcelerovanmé expanze v pozdních fázích vesmíru nabízí scénář globální historie vesmíru od prázdnoty "tepelného zrození" k prázdnotě "tepelné smrti" vesmíru:
¨ Výchozím stavem je téměř prázdný prostor; č Nastane kvantová fluktuace pole v určité oblasti; č Dojde k rychlé inflační expanzi této fluktuace; č Po skončení inflace je rozsáhlý vesmírný prostor vyplněn pomaleji expandujícím, téměř rovnoměrně rozloženým prvotním horkým plynem; č Po jeho ochlazení nehomogenity gravitačně zkondenzují do kup galaxií a galaxií ve zpomaleně expandujícím vesmíru; č Po dlouhé době převládne temná energie, zrychlující se expanze rozředí veškerou rozptýlenou látku, galaxie uniknou za horizont; č Galaxie se zhroutí do černých děr, které se pak kvantově vypaří v záření; č Zrychlující se expanze nekonečně rozředí veškeré zbylé záření; č Vesmír je opět téměř prázdný prostor.
¨ A v tomto prázdném prostoru může zase dojít ke kvantové fluktuaci, vedoucí ke vzniku nového vesmíru... Jednotlivé takové vesmíry by z tohoto hlediska byly jen "epizodami v kvantových fluktuacích" věčného základního prostoru..?..
   Opět je třeba zdůraznit spekulativnost tohoto scénáře, který je dalekosáhlou extrapolací toho mála co víme, do rozsáhlé oblasti neznáma!

Největší záhada přírody?
Existence skryté či temné hmoty (látky) a ještě "skrytější", "temnější" a záhadnější temné energie ve vesmíru je velkou výzvou nejen pro astrofyziku a kosmologii, ale i pro fyziku elementárních částic, pokud její zdroj budeme hledat na kvantové úrovni. Problém vysvětlení nenulové, avšak velmi malé kosmologické konstanty
L (odpovídající hustotě rL» 0,5.10-5GeV/cm3, což činí několik atomů na m3), představuje velký úkol pro unitární teorie pole (srov. §B.4 "Kvantová geometrodynamika" a B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."). V dosavadních kvantových teoriích pole vychází rL ~ mp.c2/lp2 » 10118GeV/cm3 (mp je Planckova hmotnost, lp Planckova délka), což je o více než 120 řádů vyšší.!?. K reflexi tohoto problému by snad své mohl říci i antropický princip (§5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů", dále též filosoficko-přírodovědná práce "Antropický princip aneb kosmický Bůh"). "Antropické zdůvodnění" v koprodukci s představou multivesmíru - obrovského souboru různých "vesmírů" s různými vlastnosti elementárních částic, fundamentálních interakcí (a tím i velikostí energie vakua) a dokonce i různými dimenzemi prostoru.

Jaké je složení vemíru?
Existence temné hmoty a temné energie výrazně mění naši dřívější představu o složení vesmíru:

         Hmota : ě látka - částice, atomová struktura
î pole - rozprostřená forma hmoty (kvantovaná)
Hmota ve vesmíru :

ě svítící hmota - baryonická
î nezářící - temná (skrytá) hmota
                    
â                           ć
          í temná hmota î temná energie ?
  baryonická           nebaryonická (nebaryonická)
Podle nynějších odhadů je ve vesmíru:
cca 73% temné energie ; cca 23% temné hmoty (skryté, nezářící) ;
jen
» 4% běžné "svítící" (či absorbující) hmoty přístupné pozorování

Má to i výrazný gnoseologický aspekt. Donedávna jsme si mysleli, že astronomickým pozorováním svítících objektů (popř. absorbujících oblaků plynu a prachu) v optickém, infračerveném, radiovém, X či gama oboru postupně zjistíme o vesmíru všechno, bude to jen otázka větších a dokonalejších dalekohledů a dalších přístrojů. Nyní se ukazuje, že takto jsme schopni pozorovat pouhá asi 4% hmoty ve vesmíru. O cca 25% temné hmoty zatím mnoho nevíme a cca 70% temné energie je pro nás zcela neznámá. Pro vlastnosti vesmíru jako celku a pro jeho evoluci tedy hvězdy, mlhoviny ani galaxie nejsou tou podstatnou složkou vesmíru. Tato svítící či jinak astronomicky pozorovatelná hmota ve vesmíru je jen "špičkou ledovce", jehož hlavní masa je nám skryta. Je to deprimující zjištění, jak málo toho víme o Vesmíru..!?..

5.5. Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír.
  5.7. Antropický princip a
existence více vesmírů

Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
Gravitace ve fyzice Obecná teorie relativity Geometrie a topologie
Černé díry Relativistická kosmologie Unitární teorie pole
Antropický princip aneb kosmický Bůh
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann