Kam směřuje vesmír – šipka času

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. Formování struktury vesmíru.
5.5. Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.
5.6. Budoucnost vesmíru. Temná hmota. Temná energie.
5.7. Antropický princip a existence více vesmírů
5.8. Kosmologie a fyzika

5.6. Budoucnost vesmíru. Šipka času. Temná hmota. Temná energie.

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 se všemi těmi úžasnými strukturami a 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 r_krit (5.26) :

• Uzavřený vesmír
  Při nadkritické hustotě je vesmír uzavřený a bude se rozpínat jen po určitou mez, pak převládne gravitace, expanze se zastaví a přejde ve smršťování - rudý posuv se změní na modrý, teplota reliktního záření nejdříve zvolna, ale pak neomezeně poroste - až po závěrečný velmi hustý a horký konec (teoreticky singularitu), gravitační kolaps vesmíru, označovaný někdy jako "velký krach" či "velké rozdrcení" (big crunch). Všechny struktury, včetně hmoty ze které jsou složeny, budou zničeny.
     V hrubém přiblížení tedy závěrečné fáze uzavřeného vesmíru probíhají v obráceném sledu ke vzniku a expanzi raného vesmíru - rostoucí energií reliktního záření budou atomy mezihvězdné i hvězdné hmoty rozbíjeny opět na elementární částice. Ve skutečnosti však v závěrečné fázi (na rozdíl od raného vesmíru) bude velmi mnoho kompaktních objektů - neutronových hvězd a černých děr, které vlivem akrece částic a záření rychle porostou, až nakonec splynou.
     Podle výsledků novějších astronomických pozorování tento scénář uzavřeného vesmíru není příliš pravděpodobný.
• Otevřený vesmír 
  Je-li hustota kosmické hmoty menší než kritická, bude se vesmír rozpínat neustále nade všechny meze; podle standardního kosmologického modelu se sice vlivem gravitace bude expanze zpomalovat, ale nikdy se nezastaví. Bude zde "dostatek času" pro uplatnění časově velmi zdlouhavých scénářů astrofyzikálního vývoje hvězd, galaxií i celého vesmíru.
    Po asi 5-7 miliardách let Slunce pomalu vyčerpá své zásoby vodíku a podle astrofyzikálního scénáře stelární evoluce (§4.2, část ""Pozdní stádia evoluce hvězd") se začne proměňovat v červeného obra. Postupně pohltí vnitřní planety Merkur, Venuši a možná i Zemi a Mars. Po několika milionech let se pak tento rudý obr promění v bílého trpaslíka. Mezitím se též plně projeví gravitační nestability u planet Sluneční soustavy, některé planety možná systém zcela opustí. Podobně tomu bude u ostatních hvězd a jejich planetárních systémů.
     Z plynu a prachu v galaxiích vznikne během dalších cca 10-30 miliard let ještě několik generací hvězd, které nukleosyntézou více obohatí vesmírnou látku o těžší prvky. Dostupné zásoby vodíku (který je výchozím "palivem" hvězd) v galaxiích se ale postupně vyčerpají. Ve většině galaxií "hvězdná porodnost" neustále klesá. Po 100 miliardách let většina galaxií "dohoří". Pak již nebude k dispozici materiál pro tvorbu dalších hvězd, vesmír se bude propadat do čím dál větší temnoty, kterou jen občas na okamžik rozjasní výbuch supernovy - konečné fáze některé z posledních masívních hvězd. Poslední hvězdy dohasnou, nakonec zůstanou jen zbylá kompaktní tělesa závěrečných stádií hvězdné evoluce: bílí - posléze černí trpaslíci, neutronové hvězdy a černé díry. Spolu se zbylým zředěným plynem budou obíhat kolem supermasívních černých děr v centru galaxií a jejich látka bude postupně chladnout, až dosáhnou teploty okolního vesmíru. To bude trvat velmi dlouho. Bílý trpaslík vychladne do stavu černého trpaslíka za cca 10¹⁵ roků.
     Drobnými epizodami v tomto období budou fúze neutronových hvězd, které vznikaly jako součásti dvojhvězdných (či vícenásobných) systémů. Při vzájemném obíhání budou gravitačními vlnami vyzařovat kinetickou energii oběhu, postupně se přibližovat, až nakonec splynou. Při této události se kromě záblesku gravitačních vln vyvrhne velké množství neutronového materiálu, který explozivně nukleonizuje za vzniku horké látky s vysokým obsahem těžkých prvků - je popsáno v §4.8, pasáž "Srážky a splynutí neutronových hvězd". Tyto okrsky horké látky ještě nakrátko ozáří okolní temný vesmír a rychlou expanzí se rozplynou...
     Další osud těchto zbylých struktur záleží na tom, zda je proton stabilní částicí (jak se nám jeví podle dosavadních zkušeností), nebo se rozpadá na leptony (jak předpovídají některé grandunifikační teorie, byť s velmi dlouhým poločasem >10³³ let - v otevřeném vesmíru je však "času dost"!). To se zatím neví... V případě stabilních protonů by tyto hmotné struktury v otevřeném vesmíru snad mohly přetrvávat věčně neměnné.
     Avšak v tak nepředstavitelně dlouhých časových měřítcích by se možná mohl uplatnit kvantový tunelový efekt: lehká atomová jádra by mohla překonávat elektrickou odpudivou bariéru mezi sebou a mohlo by docházet ke spontánnímu slučování lehkých jader na těžší - ke "studené jaderné fúzi". Za normálních okolností je studená jaderná fúze nemožná (srov. diskusi v §2.3, pasáži "Alternativní možnosti uskutečnění jaderné fúze" - "(ne)Možnost studené jaderné fúze?"), tunelový efekt zde má prakticky nulovou pravděpodobnost. Avšak v časovém horizontu řádu >>10¹⁰⁰ let se i tato pranepatrná pravděpodobnost může uplatnit..?.. Podle této hypotetické představy studené jaderné fúze by se lehčí atomová jádra v kompaktních kosmických objektech, pozůstatcích hvězd, mohla postupně slučovat na těžší až po železo (to by odhadem mohlo trvat více než 10¹⁰⁰⁰ let). Teprve pak by snad mohly zkolabovat do neutronových hvězd nebo černých děr..?.. Tento mechanismus však zůstane navždy hypotetický, nikdy nebude možné ho experimentálně ověřit...
     V tom druhém případě, nestability protonů, bude docházet k postupnému rozpadu protonů v jádrech atomů v plynu i v nitru kompaktních těles (kromě černých děr). Energie uvolňovaná při tomto rozpadu bude udržovat jejich mírně nenulovou teplotu na několika desetinách °K. Látka černých trpaslíků, neutronových hvězd, plynů a zbylých planet bude pomalu rozkládána na leptony a záření, které se rozptýlí do okolního prostoru.
     Mezitím se většina galaxií zhroutí do obřích černých děr - v důsledku vyzařování gravitačních vln odnášejících rotační energii. Po uplynutí cca ~10³⁵ let ve vesmíru zůstanou většinou již jen černé díry, obklopené řídkým rozptýleným zářením a lehkými částicemi. Vlivem akrece zpočátku černé díry porostou, avšak po dostatečném poklesu teploty reliktního záření převáží jejich kvantová evaporace (viz §4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr"). Po velmi dlouhé době (řádově ~10⁶⁰ roků) se černé díry vypaří Hawkingovým kvantovým mechanismem a vesmír bude převážně vyplněn velmi řídce rozloženými částicemi a neustále se zřeďujícím a ochlazujícím se zářením.
     Z kdysi bohatě strukturovaného velkolepého vesmíru zbude jen fádní řídká směs subatomárních částic - elektronů, pozitronů, fotonů, neutrin - poletujících v nekonečných temnotách věčné mrazivé pustiny, bez vzájemných interakcí. Čas jako by se zastavil, nebude již docházet k žádným dalším jevům a událostem, vesmír bude prakticky prázdný a "mrtvý". Veškerá využitelná energie bude vyčerpána (degradovaná podle zákonitostí termodynamiky do odpadního tepla - záření), v takovém prostředí by pak ani nemohl existovat život a skončily by veškeré chemické reakce. Toto nekonečné mrazivé zanikání všech struktur a jevů se označuje jako "tepelná smrt" vesmíru či "velký chlad".
  Pozn.:  Hraniční případ r = r_krit, kdy se vesmír bude stále rozpínat tak, že v čase t®Ą se rozpínání limitně zastaví, zde pro nás nemá samostatnou důležitost a z hlediska rozebírané problematiky jej můžeme začlenit do otevřeného vesmíru.

Obr.5.9. Schématické znázornění nejdůležitějších etap vývoje vesmíru.   Názorné porovnání scénáře evoluce uzavřeného a otevřeného vesmíru viz níže na obr.5.2´ a), b)

Vývoj vesmíru je pro oba případy schématicky 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 - horní část obr.5.9 (názorné porovnání scénáře evoluce uzavřeného a otevřeného vesmíru viz níže na obr.5.2´ a), b)).
   Podle současných astrofyzikálních poznatků pravděpodobně odpovídá skutečnosti varianta otevřeného vesmíru. Tato varianta je souhrně zachycena na názorném obrázku ... z §5.4, který si zde pro názornost zobrazíme znovu :

Stručný schématický diagram vzniku a evoluce vesmíru podle standardního kosmologického modelu LCDM.
Postupné chladnutí raného horkého raného vesmíru je znázorněno barvami, plynule přecházejícími od bílé v okolí velkého třesku, přes žlutou až po červenou, postupně tmavější, až k černé (je to jen symbolické, nejsou to přímo barvy světla vyzařovaného v té době...). Nás zde však zajímají hlavně pozdní fáze evoluce vesmíru.

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 zkušenosti.
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 :

• Radiační šipka času,
  nazývaná též elektromagnetická šipka. Je dána tím, že ostrovní soustava zrychleně se pohybujících nábojů vyzařuje elektromagnetické vlny, které ze zdroje odnášejí energii rychlostí světla, přičemž tyto vlny se na vzdálených tělesech projeví v budoucnosti (retardovaně) - §1.5, rovnice (1.47). K úbytku energie vyzařující soustavy dochází rovněž v časovém směru do budoucnosti.
  Vedle těchto "retardovaných" vln sice zákony elektrodynamiky formálně připouštějí i "advancované" (předbíhavé) vlny - vlny přicházející z nekonečna, které zdroj absorbuje; tyto vlny mohou být též chápány jako vlny vyzařované do minulosti. Ve skutečnosti při každé spontánní emisi zdroje pozorujeme pouze retardované vyzařování vln. Totéž platí i o vyzařování gravitačních vln (§2.7).
• Termodynamická šipka času 
  je podle 2.zákona termodynamiky určena monotónním růstem entropie izolované soustavy poblíž termodynamické rovnováhy. Čas plyne tím směrem, v němž věci stárnou, horké předměty chladnou, systémy se rozkládají, spontánně se zvyšuje jejich neuspořádanost.
  Od této zákonitosti se odvíjí i biologická šipka času, udávající směr biologické evoluce i individuální průběh života člověka a všech živých tvorů, doprovázený stárnutím.
  Samotné zákony pohybu jednotlivých částí systému přitom připouštějí i pohyby vedoucí ke snižování entropie, avšak jejich pravděpodobnost je podstatně menší než těch, které podle statistické fyziky vedou k růstu neuspořádanosti (entropie). Je to způsobeno tím, že v praxi je počet neuspořádaných stavů nesrovnatelně větší než počet stavů uspořádaných. Druhá věta termodynamická je tedy statistickým důsledkem skutečnosti, že neuspořádaných stavů je mnohem více než stavů uspořádaných *). A tato situace je v podstatě dána počátečními podmínkami.
  *) Mnoho různých mikrostavů odpovídá jednomu konkrétnímu makrostavu. Entropie (řec. entrope = změna, přechod) je počet různých mikrostavů (je vyjádřena logaritmem tohoto počtu), které odpovídají stejnému makrostavu. Stavy s vysokou entropií svým počtem výrazně převyšují stavy s nízkou entropií. Proto téměř každá změna systému s vysokou pravděpodobností proběhne do stavu s vyšší entropií. Časová šipka růstu entropie je jednoduše statistická tendence systémů vyvíjet se směrem k obvyklejším a frekventnějším stavům.
  Porušování 2.termodynamického zákona se lokálně odehrává, avšak jen v malých prostorových a časových měřítcích. Např. molekula s určitou rychlostí (odpovídající průměrné tepelné energii v plynu) se srážkami s okolními molekulami může výrazně urychlit (nebo zpomalit), avšak jen na velmi krátkou dobu; pak se opět vrátí k normálu.
• Kosmologická šipka času 
  je určena pozorováním, že s růstem času dochází zároveň k expanzi vesmíru.
• Psychologická šipka času 
  vychází z toho, že naše paměť reflektuje tu část událostí, kterou nazýváme minulostí a která je v našem psychickém chápání jasně odlišena od budoucnosti. Máme tedy jakýsi "psychický cit" pro běh času - srov. rozbor v §1.1, část "Prostor a čas".

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.

Inverze šipky šasu => Antičástice, antihmota ? - Ne !
V počátcích vývoje kvantové fyziky se antičástice (jako je pozitron) považovaly za částice se "zápornou energií", nebo částice pohybující se "zpět v čase" (formální transformace souřadnic v Diracově rovnici to umožňují). Tyto koncepce sehrály svého času důležitou heuristickou roli v rozvoji částicové fyziky. Nyní jsou tyto zavádějící představy již opuštěné a částice i antičástice mají "rovnoprávné" místo ve standardním modelu, v aplikacích, jakož i v unitarizačních schématech. Se směrem plynutí času nemají nic společného !

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 r_krit (@ 5.10^-30g/cm³ při H »50 km/s.Mpc) a svědčilo by to pro otevřený vesmír. Ukazuje se však, že tato "svítící" látka zdaleka nepředstavuje veškerou hmotu ve vesmíru :
Skrytá-temná hmota v galaxiích a kupách galaxií 
Při sledování dynamiky rotace galaxií se ukazuje, že skutečná (gravitační) hmotnost galaxií se jeví 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 jednotlivých galaxií mohl být systém-kupa galaxií stabilně gravitačně vázaný.
  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 zjednodušeném sféricky symetrickém modelu bude ve vzdálenosti r od středu galaxie oběžná rychlost látky dána vztahem v² = G.M(r)/r, kde M(r) je hmotnost obsažená v kouli o poloměru r. Pro konstantní hustotu látky r(r)=r pak uvnitř bude v² = (4/3)prG.r² (oběžná rychlost poroste přímo úměrně se vzdáleností r), zatímco vně galaxie bude platit závislost v² = G.M/r, kde M je celková hmotnost galaxie. Vně galaxie by tedy podle Newtonových zákonů oběžná rychlost látky (plynů) měla klesat s odmocninou vzdálenosti (tečkovaná křivka na obr.5.10).

Obr.5.10. Typická rotační křivka - závislost oběhové rychlosti látky na vzdálenosti od středu galaxie. Místo očekávané klesající rychlosti oběhu se vzdáleností v halo galaxie se pozoruje téměř konstantní rotační rychlost, svědčící pro rozprostřenou gravitující skrytou hmotu.

Ve skutečnosti se však pozoruje, že až do vzdálenosti několika poloměrů viditelné části galaxie zůstává oběžná rychlost plynu zhruba konstantní (plná křivka na obr.5.10, která je "plochá"), 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 nějaké neznámé skryté 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.
Protože tento problém úzce souvisí s větou o viriálu (§1.2, pasáž "Distribuce kinetické a potenciální energie. Věta o viriálu") 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, bylo nutno předpokládat že v galaxiích působí mnohem silnější gravitační pole, než odpovídá klasické hmotě tvořené elektrony, nukleony, atomy, ionty, které tvoří hvězdy (s planetami) a mezihvězdný plyn. Musí být přítomno velké množství nějaké skryté a nezářící temné hmoty, která má gravitační účinky. Změřené rotační křivky běžných galaxií ukazují na obsah nejméně 70% temné hmoty (u trpasličích galaxií vychází až 90%). Měření pohybů v rozsáhlých systémech kup galaxií ukazuje, že skrytá hmota je obsažena nejen v galaxiích, ale je rozšířena po celém vesmíru (s různou lokální hustotou).
  Tato skrytá hmota by měla být složena z částic, na které působí pouze gravitační a slabá interakce (jejíž vliv by byl vzhledem k nízkému účinném průřezu a krátkodosahovosti zanedbatelný), ale nepůsobí na ně silná a elektromagnetická interakce, nebo se elektromag. interakce observačně neprojevuje. Skrytá hmota by byla ovlivňována - a ovlivňovala by okolní vesmír - pouze gravitačně (viz níže).
  Stručně řečeno, galaxie rotují příliš rychle na to, aby mohly držet pohromadě gravitací viditelné hmoty ve hvězdách a mezihvězdném plynu. Mělo by tedy existovat jakési skryté gravitační "lepidlo", které drží galaxie a kupy galaxií pohromadě a díky němuž z rotujících galaxií neodlétají hvězdy pryč do okolního vesmíru. Bez této skryté hmoty by galaxie a sytémy galaxií byly nestabilní a neudržely by se pohromadě.

Temná hmota je tedy hypotetická forma hmoty, která je rozprostřena ve velmi rozsáhlých oblastech vesmíru. Udržuje pohromadě galaxie, které v periferních oblastech obíhají rychleji, než by odpovídalo gravitaci viditelné hmoty; podobně je tomu v kupách galaxií. „Temná“ se nazývá proto, že nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží žádné elektromagnetické záření, takže je pro dalekohledy neviditelná. Její existenci (a některé základní vlastnosti, především její distribuci) lze však odvodit z jejích gravitačních účinků na viditelnou hmotu, záření a na velkorozměrovou strukturu vesmíru. Níže si stručně rozebereme tyto účinky a pokusíme se najít možnosti odhalení podstaty a složení temné hmoty.
  Kromě pozorování pohybu hvězd a plynu v galaxiích a pohybu galaxií v galaktických kupách jsou i další indicie přítomnosti temné hmoty :
¨ Vedle hvězd a chladného mezihvězdného plynu se v galaxiích nachází i velmi horký plyn, který je ionizovaný a září převážně v rentgenovém oboru. Vzhledem k vysoké teplotě plynu je rychlost chaotického pohybu elektronů a atomů-iontů vodíku a hélia značně vysoká, přesahuje únikovou rychlost (cca 500km/s) potřebnou k opuštění gravitačního vlivu galaxie. Takový horký plyn by se za krátkou dobu rozptýlil a unikl z galaxie pryč. Přítomnost tohoto horkého plynu svědčí pro mnohem silnější gravitační pole než odpovídá klasické hmotě hvězd a mezihvězdného plynu.
¨ Gravitační pole galaxií a kup galaxií zakřivuje světlo, které kolem nich prolétá - vede k efektu gravitační čočky (§4.3, část "Gravitační čočky"). Z toho, jak gravitační pole galaxie nebo kupy galaxií efektem gravitační čočky ovlivňuje světlo ze vzdálenějších galaxií ležících za ní, lze stanovit hmotnost této galaxie nebo kupy galaxií. Hmotnosti zde rovněž vycházejí mnohem větší než odpovídá klasické svítící hmotě a mezihvězdnému plynu.
¨ Kosmologická evoluce raného vesmíru podle standardního modelu (§5.4, část "Standardní kosmologický model") :
  > Průběh primordiální nukleosyntézy
v prvních cca 3 minutách závisel na podílu zastoupení baryonové a nebaryonové hmoty (§5.4, část "Prvotní nukleosyntéza") - při větším zastoupení nebaryonické látky stačí vzniknout méně hélia. Pozorované množství primordiálního hélia ⁴He (25%), deuteria a ³He svědčí pro výrazné zastoupení nebaryonické látky (srov. též níže s poznámkou o prvotní nukleosyntéze v pasáži "Z čeho je temná hmota?"); jinak by hélia bylo více...
 > Formování galaxií a kup galaxií
v éře látky bylo výrazně ovlivňováno složením hmoty ve vesmíru (§5.4, část "Formování velkorozměrové struktury vesmíru", pasáž "Struktura a vývoj galaxií"). Pokud by tato látka byla složena jen z protonů, elektronů a atomů vodíku a hélia, intenzívní záření (z ne příliš dávné doby éry záření) by po dlouhou dobu bránilo a znemožňovalo utváření galaktických struktur - vesmír by zůstával homogenní, hladký, bez velkorozměrových struktur. Přítomnost temné hmoty, která přímo neinteraguje se zářením, umožnila záhy "zvítězit" gravitačním kontrakcím nad destrukčním vlivem záření. Pozorované rychlejší (dřívější) formování galaktických struktur vyžaduje pro své vysvětlení dodatečnou (pouze gravitačně interagující) hmotu - temnou hmotu, než by odpovídalo dynamice známé hmoty při expanzi vesmíru. Toto je možná nejvýznamnější kosmologická indicie pro skrytou hmotu - umožnila m.j. zformování naší Galaxie, v níž vznikla sluneční soustava, planeta Země, vývoj života a naší existence..?..
Pozn.: Některé pochybnosti o koncepci temné hmoty a alternativní možnosti vysvětlení jsou diskutovány níže v pasáži "Pochybnosti o nebaryonické temné hmotě - alternativní vysvětlení ?".

Průzračnost, bezstrukturnost 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 velkých prostorových 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 může být jakousi "páteří", či "kostrou", na kterou se "nabaluje" běžná svítící hmota.
*) Hmotná hvězda, pokud se nachází uvnitř oblaku temné hmoty, může v principu sférickou akrecí pohlcovat malé množství temné hmoty (záření a hvězdný vítr v tom nebrání). Kolem masivních kompaktních objektů jako jsou černé díry se sice může zformovat gravitačně vázaný disk rotující temné hmoty, avšak prakticky bez akrece. Vzhledem k absenci tření se obíhající temná hmota nemůže nijak zbavit přebytečného momentu hybnosti a nemůže proto klesat na postupně nižší orbity, aby nakonec byla pohlcena černou dírou (srov. "Akreční disky kolem černých děr" v §4.8); bude trvale obíhat kolem. Tento fenomén lze očekávat především u supermasivních černých děr v centru galaxií, kde se předpokládá větší koncentrace temné hmoty a temněhmotný rotující disk může být velmi masivní. I když přímo nepřispívá k akreci, může značně ovlivňovat strukturu a dynamiku akrečního disku z běžné hmoty.
   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 i hypotetické "temné galaxie"..?..).

Z čeho je temná hmota ?
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 a podobně. Mohly by to být i početné menší černé díry hvězdného původu (valná část degenerované hmoty ukryté v těchto černých dírách má baryonový původ). 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).
   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", pasáž "Hypotetické a modelové částice" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
*) Jedna z indicií pro tento názor vychází 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 hélia a deuteria). Pozorované zastoupení ⁴He a D (²H) svědčí pro množství baryonové hmoty W_b » 0,05 - 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. Kdyby všechna nesvítící hmota byla baryonová, ve vesmíru by bylo mnohem více hélia.
 Neutrina ?
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 m_on <~ 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. Ani nynější galaxie nemají tak silné gravitační pole, aby byly schopny si udržet "oblaka" neutrin tvořících temnou hmotu. Rychlost jejich chaotického pohybu je vyšší než únikové rychlosti z galaxií - neutrina by se záhy rozptýlila a unikla z galaxie pryč. 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. Částice "horké" temné hmoty nemohou být udrženy v gravit. poli galaxií, jejich rychlost mnohonásobně převyšuje únivovou - nemohou vytvářet skrytou hmotu v galaktickém halo.
¨ 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. Může vysvětlovat pozorované rotační křivky 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".
 W I M P ?
Neutrina jsou tedy patrně 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 zmíněno v části "Hypotetické a modelové částice", pasáž "Stínová či zrcadlová hmota - Katoptrony ?", v §1.5 monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření").
   V souvislosti s geometrickými teoriemi superstrun (§B.6. "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.") se objevily tak trochu sci-fi spekulace, že částice temné hmoty se nevyskytují v našem 3-rozměrném prostoru, ale v další extra-dimenzi, která interaguje s naším vesmírem pouze gravitačně; žádnými částicovými experimenty ani detekcí proto nemohou být objeveny..?..
 Černé díry ?
Černé díry menších a středních hmotností by obecně mohly být ideálními kandidáty na temnou hmotu, neboť nevysílají světlo a vzhledem ke svým velmi malým rozměrům z astronomického hlediska světlo prakticky ani nepohlcují. Hvězdných černých děr hmotností >~3M_¤ (vzniklých kolapsem masivních hvězd na konci jejich evoluce - §4.2, pasáž "Úplný gravitační kolaps. Černá díra.") je příliš malé množství. Zajímavou možností jsou ale černé díry primordiálního původu (§4.8, pasáž "Primordiální černé díry"), které se mohly ve velkém počtu utvářet z horké extrémně husté plasmy, která vyplňovala vesmír bezprostředně po velkém třesku. Mikroskopické kvantové fluktuace se při inflační expanzi zvětšují do makroskopického měřítka - vznikly tak oblasti s výrazně nižšími a vyššími hustotami hmoty a energie, z nichž pak později povstaly všechny struktury ve vesmíru. Ve velmi raných fázích vesmíru záhy po inflačním období mohlo být přítomno velké množství výrazných zhuštěnin, které se mohly rychle zhroutit do černých děr. Vznikalo by tak velké množství primordiálních černých děr o nejrůznějších hmotnostech, především nízkých. Tyto primordiální černé díry lze považovat za nebaryonického původu, vznikly před nukleosyntézou. Jejich detekce je velmi nesnadná, mohla by se snad podařit přes gravitační mikročočky :
  Pokud by nějaký kompaktní objekt (hmotnosti min. 10^-9 M_¤) při svém pohybu procházel přes zornou linií od vzdálenější hvězdy směrem k nám, mohl by vyvolat přechodné achromatické zjasnění hvězdy. Z míry tohoto zjasnění by se dala odhadnout hmotnost tohoto tranzitujícího kompaktního objektu. Takové gravitační mikročočky se pozorují velmi zřídka; těch několik případů není rozlišitelných od volně se pohybujících bludných planet..?..
  Kdyby se hypotéza primordiálních černých děr potvrdila, byl by to velmi věrohodný původ temné hmoty, neboť by nebylo třeba hledat žádné neznámé částice mimo standardní model... Případně by primordiální černé díry mohly tvořit aspoň část temné hmoty..?..
 Bezstrukturnost a rozprostřenost temné hmoty
Další otázkou je, jakou distribuci a jaké struktury může temná hmota vytvářet? Mezihvězdný plyn složený z běžné hmoty (jako je vodík a hélium) se může gravitační přitažlivostí zhušťovat a vytvářet globule, protohvězdy a hvězdy (§4.1, část "Vznik hvězd"). Na první pohled by totéž mohla činit i temná hmota. Ke kontrakci a zhroucení je však potřeba způsob, jakým částice ztrácejí kinetickou energii generovanou při adiabatickém stlačování a zpomalují se tak, aby převládla gravitace a kontrakce mohla pokračovat. V běžné hmotě dochází k této ztrátě kinetické energie prostřednictvím elektromagnetických interakcí, vyzařováním elektromagnetických vln. Avšak částice temné hmoty (jako jsou předpokládané WIMP) nedisponují elektromagnetickou interakcí a nemají žádný způsob, jak ztrácet energii. Z tohoto hlediska temná hmota pravděpodobně nemůže vytvářet složitější gravitačně stlačené struktury hvězdných velikostí.
  Z podobných důvodů se temná hmota nemůže významněji podílet na akreci na kompaktní objekty. Běžná hmota zachycená v akrečním disku ztrácí třením (způsobeným elektromag. interakcí) kinetickou energii a moment hybnosti, čímž se po spirále pohybuje dovnitř, až je pohlcena (§4.8, část "Akreční disky kolem černých děr"). Temná hmota pravděpodobně nevykazuje tření, její částice by v disku kolem kompaktního objektu obíhaly neustále. Zachyceny mohou být jen částice přicházející s velmi malým impaktním parametrem - u temné hmoty může docházet pouze k akreci sférické, která je obecně málo účinná.
  Podle současných poznatků (jsou to spíš hypotézy...) tedy temná hmota nevytváří lokální struktury, je rozprostřená v oblacích srovnatelných s galaktickými rozměry. Tak je tomu pravděpodobně v současném chladném zředěném vesmíru.
 Úloha temné hmoty v raném vesmíru ?
Jinak by tomu ale mohlo být v raném hustém vesmíru, v období vzniku prvních hvězd a galaxií. Temná hmota, v úzkém kontaktu s atomovou-baryonovou látkou, se mohla výrazně podílet na gravitačních kontrakcích hustých rozsáhlých oblaků této směsi. Shluky temné hmoty mohly iniciovat vznik galaxií (je stručně rozebíráno v §5.4, části "Formování struktury vesmíru", pasáži "Úloha temné hmoty"). Rovněž rané masivní hvězdy 1.generace mohly kromě obvyklé atomární-baryonové látky obsahovat i určité množství temné hmoty, která ve fázi protohvězdy zkolabovala spolu s molekulárními mračny vodíku a hélia (§4.1, pasáž "Vznik hvězd"). Temná hmota by se též mohla podílet na raném vzniku gigantických černých děr, přítomných v centru většiny galaxií (§4.8, část "Mechanismus kvasarů a aktivních jader galaxií", pasáž "Jak vznikly supermasívní černé díry?").

Pochybnosti o nebaryonické temné hmotě - alternativní vysvětlení ?
Shora nastíněná koncepce temné (skryté) hmoty je nyní téměř všeobecně přijímána v astronomické a astrofyzikální obci. Jsou zde však některé problémy a sporné otázky :
¨ Nebaryonické částice navrhované jako komponenty temné hmoty jsou ryze hypotetické, nejsou součástí standardního modelu částic, nebyly prokázány v laboratorních experimentech na velkých urychlovačích ani detekovány v záření přicházejícím z vesmíru. Tato okolnost snižuje důvěryhodnost nebaryonické temné hmoty.
¨ Otázka přesnosti a interpretace naměřených dat - správné určení množství klasické baryonové hmoty a jejího rozložení v galaxiích a okolním prostoru.
¨ Použití Newtonových zákonů na obrovské vzdálenosti v zakřiveném prostoročase. Pozorované efekty bychom viděli (i bez předpokladu neznámé temné hmoty), kdyby gravitační síla ve velkých galaktických měřítcích klesala se vzdáleností pomaleji, než to předpokládá Newtonův zákon (a též obecná teorie relativity). V této souvislosti se někdy uvažuje alternativní eventualita modifikace Newtonova gravitačního zákona ("MOND - modifikovaná newtonovská dynamika", §1.2, část "Galaktická modifikace Newtonova gravitačního zákona - MOND"). 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. Vhodným modelováním parametrů MOND lze celkem uspokojivě vysvětlit anomální rotační křivky galaxií (nikoli však anomálie v kupách galaxií a galaktických srážkách). Tyto snahy se zatím nejeví jako příliš opodstatněné a perspektivní (Milgromova MOND se svou akcelerační závislostí je umělou a ne příliš přesvědčivou teorií ad hoc); temná hmota pravděpodobně bude vysvětlena jednoduššími fyzikálními způsoby. Či dokonce nesrovnalosti mohou být způsobeny jen chybou modelu rozložení baryonické hmoty v galaxiích a kupách galaxií..?.........

Složitější dynamika expanze vesmíru ?
Některé nové aspekty v problematice vzdálené budoucnosti vesmíru, ve vztahu ke střední hustotě hmoty v pozorované části vesmíru, nyní přináší předpokládaná inflační expanze raného vesmíru (§5.5, část "Inflační expanze 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 = r_krit 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 níže nové poznatky - "Akcelerovaná expanze vesmíru? Temná energie?" :

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 by posléze přešlo 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) - expanzní historii vesmíru, 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" (§4.1, pasáž "Stanovení vzdáleností vesmírných objektů - základní podmínka astrofyziky"). 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. Prováděním více měření ve více vzdálenostech tak můžeme vytvořit graf, mapující expanzi vesmíru jako funkci jeho věku.
   Astronomického "mapování" dynamiky expanze vesmíru pomocí fotometrického měření většího počtu supernov typu Ia, cca 60, 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 fotometrická měření vzdáleností supernov typu Ia (diskutovaná níže) 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 přitom odpovídal vztah mezi vzdáleností a rudým posuvem standardnímu scénáři. Avšak ty nejvzdálenější galaxie jako by "něco" zahnalo dál, než obvyklé Fridmanovské rozpínání vesmíru. Respektive (což je totéž), tyto velmi vzdálené galaxie, odpovídající ranějším obdobím vesmíru, se vzdalují menší rychlostí než by odpovídalo Fridmanově závislosti.
  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 se zrychluje! Expanze vesmíru se standardně zpomalovala jen zhruba do poloviny nynějšího věku vesmíru, do cca 6-7 miliard let, ale pak se začala zrychlovat, což stále pokračuje.
Fotometrická měření supernov Ia 
Supernova typu Ia vzniká v těsné dvojhvězdě sestávající 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 termonukleárně exploduje, což se projeví jako výbuch supernovy typu Ia - viz §4.2, část "Výbuch supernovy. Neutronové hvězdy.". U všech supernov typu Ia probíhá exploze podle stejného mechanismu a se stejnou výchozí hmotnosti a proto i množství uvolněné energie je pokaždé prakticky stejné *).
*) Je to jen přibližně, podrobnější měření ukazují, že výchozí bílí trpaslíci mají před explozí supernovy Ia poněkud různé hmotnosti. Analýzou jejich světelných křivek a spekter však lze normalizovat supernovy Ia jako "standardní svíčky" (§4.2, pasáž "Astronomická klasifikace supernov"), s přesností cca 10%.
  Takže z relativní pozorované jasnosti lze stanovit vzdálenost takové supernovy typu Ia, a to nezávisle na spektrometricky změřeném kosmologickém rudém posuvu z = (l - l_o)/l_o záření ze supernovy (l_o je vlnová délka určité spektrální čáry v okamžiku t_o 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 t_o a t platí mezi hodnotami měřítkové funkce a a kosmologického červeného posuvu z jednoduchý vztah z = (a - a_o)/a_o, kde a_o charakterizuje rozměry vesmíru v době t_o vyslání paprsku a a rozměry vesmíru v době t jeho zachycení. Z toho a = (1+z).a_o, 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>L_E 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'c :

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 (r_krit je hodnota kritické hustoty hmoty, a_E a L_E značí hodnoty poloměru vesmíru a kosmologické konstanty odpovídající Einsteinovu kosmologickému modelu).
Pro náš účel je zde důležitý graf L>L_E na obr. c) vpravo, který vyjadřuje nově vypozorovanou dynamiku evoluce vesmíru, s pozdní akcelerovanou expanzí.

Regresní analýza Hubbleova diagramu naměřené závislosti relativní magnitudy 60 supernov typu Ia na kosmologickém rudém posuvu nejlépe odpovídala křivce kosmologického modelu s parametry W_M=0,29 a W_L=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 L»1,2.10^-52 m^-2.
Akcelerovaná expanze vesmíru - versus její revize ?
V této části našeho pojedníní o evoluci vesmíru se budeme věnovat analýze a důsledkům hypotézy akcelerované expanze vesmíru a temné energie, která je v současné kosmologii všeobecně uznávaná. Na konci této části si však stručně budeme dikutovat novější měření a analýzy frekvenčního posuvu většího počtu supernov, "Revize akcelerované expanze vesmíru?", které pravděpodobně ukazují menší míru akcelerované expanze, či snad dokonce opuštění koncepce akcelerované expanze a temné energie..?..
Temná energie 
Byla vyslovena hypotéza, že toto zrychlující se rozpínání je způsobeno jakousi všeprostupující vakuovou tzv. "temnou energií" DE (Dark Energy) se zápornou hustotou energie natolik velkou, že svými repulsivními účinky překonává gravitační působení veškeré hmoty ve vesmíru. V nejjednodušším případě se předpokládá, že temná energie a vznikající odpudivé působení je v prostoru rozloženo zhruba homogenně.
   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 ekvivalentně generovala kosmologickou konstantu L> 0 (případ w=-1 níže v tabulce (5.61)) v Einsteinových rovnicích (5.7) obecné teorie relativity, vedoucí k zápornému tlaku, který by na kosmologických vzdálenostech vyvolával "antigravitační" odpuzování, působící opačně než přitažlivá gravitace běžné hmoty. To by bylo nejjednodušší vysvětlení temné energie (různé hypotetické možnosti vysvětlení původu temné energie jsou stručně diskutovány níže v pasáži "Podstata temné energie?").
   Pokud tedy temná energie je energií samotného (prázdného) prostoru, potom jak se vesmír rozpíná, přichází do vesmíru více temné energie což způsobuje že se rozpínání zrychluje, je stále rychlejší. Podle současné kosmologie primární příčinou rozpínání vesmíru je energie-hybnost, která zbyla z Velkého třesku. A odpudivá síla temné energie, když převládne nad přitažlivou vesmírnou gravitací, bude tuto expanzi navíc trvale urychlovat. Podle nynějších poznatků se zdá, že vesmír se bude nejen věčně rozpínat, ale jeho expanze se bude stále víc a víc zrychlovat...
 Stavová rovnice temné energie
Stavovou rovnici temné energie můžeme modelovat v jednoduchém obecném tvaru jako "ideální kapalinu"

kde p_de je tlak, r_de je hustota temné energie a w je stavová konstanta.
   Kdyby vesmír byl naplněn jen temnou energií "de", zrychlení ä měřítkové funkce a(t) s časem je dáno dosazením p_de a r_de do 2. Fridmanovy rovnice (5.23b), ve zjednodušené formě : ä/a = -(4pG/3).(r+3p/3). Pokud je hodnota stavové konstanty w < -1/3, vede to ke kladné hodnotě ä, tj. ke kosmické akceleraci expanze. A jak bylo ukázáno v (5.28)-(5.29) , z 1. Fridmanovy rovnice (5.23a) plyne pro stavovou rovnici typu (5.59) expanzní zákon a(t) = a₀.t ^2/[3(w+1)]. .........
   V souvislosti s koncepcí temné energie je proto užitečné ve Fridmanově rovnici (5.40) kosmologický člen L a W_L nahradit - zobecnit (toto zobecnění je patrné z tabulky (5.61)) hustotou temné energie r_de a její relativní hustotou W_de = r_de/r_de-krtit - příspěvkem temné energie :

(5.60)

"Fungování" tohoto příspěvku temné energie při dynamice expanze vesmíru závisí na hodnotě koeficientu w ve stavové rovnici p_de = w.c². r_de temné energie :

Tyto možnosti (s výjimkou nezajímavého případu a)) budou níže diskutovány.
   Pokud hustota temné energie je časově konstantní nebo klesá pomaleji než hustota běžné hmoty (tj. pomaleji než 1/a³ pro látku, popř. 1/a⁴ pro záření), odpovídal by scénář evoluce vesmíru křivce L>L_E na obr.5.3´c): po skončení počáteční inflační expanze a nástupu expanze Fridmanovské by dlouhou dobu trvalo období decelerace, kdy gravitační účinky sumární 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 a prostorové 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 některých novějších a větších souborů několika stovek vzdálených supernov typu Ia poněkud snižuje statistickou významnost údajů z prvního pozorování (a dokonce snad nevylučuje ani konstantní rychlost expanze..?..), další měření to upřesní....
Tři indicie pro temnou energii
Máme nyní tři nezávislé indicie pro akcelerovanou expanzi vesmíru :
× Měření supernov Ia je nejdůležitější, je to přímá indicie - bylo diskutováno výše. Kromě toho jsou ještě další dvě nepřímé, volnější a modelově závislé indicie :
× Nehomogenity reliktního záření v korelaci s velkorozměrovou strukturou vesmíru.
Drobné anizotropie reliktního záření odrážejí nehomogenity v distribuci látky těsně po skončení éry záření. Jeden z možných původů těchto nehomogenit může být tzv. akustický horizont hustotních vln-oscilací v horké plasmě leptonové a radiační éry (je diskutováno v §5.4, pasáži "Baryonové akustické fluktuace"). Předpokládá se, že z těchto počátečních nehomogenit, roztažených expanzí vesmíru na velké vzdálenosti stovky milionů světelných let, později vznikaly galaxie. Jejich nynější rozložení - shlukování - závisí na dynamice expanze vesmíru.
Detailní rozbor nehomogenit reliktního záření (provedený družicemi COBE a WMAT, ještě citlivější analýzu reliktního záření provádí družice PLANCK) a jeho korelace s astronomickým mapováním velkorozměrového rozložení galaxií naznačují, že pozorovaná struktura shlukování odpovídá zrychlené dynamice expanze vesmíru.
Ostatně, i samotná porovnávání hustoty shluků galaxií s nízkými a vysokými rudými posuvy, dávají mírnou indicii pro akcelerovanou expanzi...
× Měření dynamiky expanze vesmíru pomocí kvasarů.
Vedle supernov Ia lze dynamiku expanze vesmíru do ještě větších vzdáleností, tj. do ranějších období, studovat pomocí kvasarů. Kvasary jsou obří černé díry v centru galaxií, které v rozsáhlém akrečním disku pohlcují velké množství okolního plynu, jehož část je vyvrhována podél rotační osy v mohutných výtryscích (jetech) - viz §4.8, pasáž "Tlusté akreční disky. Kvasary". Absolutní magnituda (skutečný zářivý výkon) kvasarů je různá, ukazuje se však, že tato absolutní magnituda souvisí se spektrem vyzařování kvasaru, především s poměrem vyzařování v ultrafialovém a rentgenovém oboru (§4.8, pasáž "Kvasary jako standardní svíčky"). Kvasary se spektrometrickou analýzou je pak v zásadě možno použít jako "standardní svíčky" pro měření těch největších kosmologických vzdáleností.
V současné době probíhají tato spektrometrická měření u většího počtu kvasarů různých vzdáleností.

^{Vliv temné energie na evoluci 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 kosmologickém měřítku celého vesmíru může být dominantní.
   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 (viz tabulka níže, ke konci této kapitoly). 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 :

• č Počáteční inflační fáze s prudkou dynamikou expanze a(t) ~ e ^Hi ^{. t} , kde H_i je "inflační Hubbleova konstanta-rychlost" dosahující velmi vysokých hodnot (§5.5).
    
• č Standardní Fridmanovské rozpínání vesmíru, zpočátku s dominancí záření a(t) ~ t^1/2, později pak látky a(t) ~ t^2/3 (§5.3 a 5.4). Rychlost expanze vesmíru se gravitačním působením hmoty (viditelné a především skryté) zpomaluje. Jak se vesmír rozpíná, jeho hustota hmoty (viditelné i temné) se tím zřeďuje.
    
• č Po dostatečném zředění látky ve vesmíru začne dominovat temná energie (ekvivalentní členu L.g_ik v Einsteinových rovnicích s kosmologickou konstantou L), rychlost expanze vesmíru se přestane zpomalovat a začne se naopak zrychlovat *). Vesmír se postupně bude chovat jako (téměř prázdný) de Sitterův vesmír s exponenciální expanzí a(t) ~ e ^{H . t} způsobenou repulsivním kosmologickým členem. Jedná se tedy o jakousi pozdní "2.inflační fázi", která je ale ve srovnání s primordiální inflací velmi pomalá; hustota vakuové energie, kosmologická konstanta a Hubbleova konstanta H jsou zde o mnoho řádů nižší než na počátku. Tato fáze pozdní akcelerované expanze by však každopádně vedla k otevřenému vesmíru, vedoucímu k "tepelné smrti".
  *) Podle pozorování supernov tato situace "přelomu" mezi decelerací a akcelerací expanze vesmíru nastala zhruba před 5-7 miliardami let. Tehdy došlo k osudovému "převážení misek vah" na stranu antigravitačních sil, způsobených temnou energií.

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 protichůdé úlohy :
¨ Skrytá hmota - 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.
  Nový kosmologický model, rozšířený o implementaci skryté hmoty a energie, se někdy označuje zkratkou LCDM - Lambda Cold Dark Matter (Lambda Chladná Temná Hmota), kde kosmologická konstanta "lambda" L udává zrychlení expanze (srov. též §5.3, pasáž "Relativní omega W-parametrizace kosmologických modelů").
   V raném vesmíru nehrála temná energie žádnou roli (s výjimkou inflačního stádia - §5.5), zatímco ve vzdálené budoucnosti může nabýt rozhodující vliv; je schopna dokonce "rozfouknout" vesmír a rozplynout ho v "nicotu" (viz níže "Velké roztržení?").
   Pokud se tedy koncepce temné (skryté) hmoty a 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, v dynamice vesmíru 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 - svítící i skryté - 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 novější astronomická pozorování snad umožní upřesnit zastoupení temné energie a dokonce snad odhadnout i její "stavovou rovnici" (5.59), tj. vztah mezi tlakem p a hustotou r (srov. též §5.3), o vlastní podstatě temné energie, či alternativním vysvětlení příčiny akcelerované expanze vesmíru, bude v dohledné době možno jen spekulovat. Jsou zatím v podstatě čtyři 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 (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír."). 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"), případ c) v tabulce (5.61). Byla by to neměnná *) bazální forma energie, imanentně "vetkaná" do pomyslného "přediva" struktury časoprostoru.
*) Většinou se předpokládá neměnnost kosmologické konstanty a takto generované temné energie, avšak vyskytují se i hypothézy o možné mírné proměnnosti některých fyzikálních "konstant"..?..
l Nový druh pole - 5.interakce, zvaná někdy též kvintesence (lat. quinta esentia = pátá podstata, přeneseně tresť, prapodstata), zaplňující prostor vesmíru (případ b) v tabulce (5.61)). Pole této interakce již obecně nebude konstantní, ale bude se jednat o dynamické pole, jehož síla se může měnit v čase a může být odlišná v různých místech vesmíru. V závislosti na poměru své potenciální a kinetické energie v určitém čase může být kvintesence buď odpudivá (jak se to jeví nyní) nebo i přitažlivá. Mění se při expanzi vesmíru - měla by s expanzí klesat (pokud byla na počátku založena 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 v budoucnu začít zmenšovat natolik, že by se vesmír přestal rozpínat a přídadně se začal smršťovat - temná energie by se stala přitažlivou, až by se nakonec zhroutil "velkým krachem", jak to předpovídá model uzavřeného vesmíru - obr.5.2'a (to se nyní nejeví jako 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.
l Temná energie neexistuje, akcelerovaná expanze je pouhá pozorovací iluze! To, co vnímáme či interpretujeme jako temnou energii, může být způsobeno naší ne zcela adekvátní kosmologickou představou o velkorozměrové struktuře vesmíru. Globální homogenita a izotropie expanze nemusí být zcela absolutní. Můžeme se nacházet uvnitř jakési rozsáhlé "bubliny" mírně snížené Hubbleovy expanzní rychlosti, takže v jiných vzdálených oblastech se nám expanze může jevit rychlejší..?.. - srovnejme též níže diskusi "Revize akcelerované expanze vesmíru?".
Vyžadovalo by to však poměrně velké fluktuace hustoty, kolem 20%...
  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... Srovnejme tuto neradostnou prognózu s výše uvedeným zamyšlením "Astrofyzika a kosmologie: - lidská beznaděj?".
   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...
 Astrofyzika a kosmologie v pozdním akcelerovaném vesmíru ?
Za zamyšlení stojí i observační a gnoseologický aspekt tohoto vývoje. Představme si v hypotetickém sci-fi scénáři, že za stovky milird let by se v pozdním akcelerovaně expandujícím vesmíru na vhodné planetě kolem některé hvězdy ve zmíněné supergalaxii vyvinul život a následně inteligentní civilizace. Tito "lidé" (i když se nám jistě nebudou fyzicky podobat...) by vyvinuli pokročilou vědu a techniku, dokonalé přístroje pro zlepšování života i výzkum přírody a vesmíru. Naše civilizace ani planeta Země v této době již dávno nebude existovat, veškeré naše poznatky zmizí *). Všechno poznání přírody a vesmíru si budou muset od začátku vybudovat sami.
*) Pokud by se ovšem v relativně bližší budoucnosti nerealizovala koncepce tranhumanismu (diskutovaná v pasáži "Umělá inteligence a transhumanismus - zákonité vyústění biologické evoluce?" práce "Antropický princip aneb kosmický Bůh").
   Tito budoucí astronomové by došli ke zcela jiným závěrům o vesmíru jako celku, než naši současní astronomové. Ani sebevětšími teleskopy by v nezměrné propasti prázdného vesmíru neuviděli žádné vzdálené galaxie, jejichž spektrální posuv by prozrazoval expanzi vesmíru. Viděli by, že žijí v jedné velké galaxii (pravděpodobně eliptické s malým obsahem plynu), v jinak prázdném vesmíru; žádné jiné galaxie ve vesmíru nejsou... Reliktní záření (které je nyní mikrovlnné) se natolik rozředí a prodlouží, že přestane být měřitelné. Těžko říci, jakou by si tito budoucí pozorovatelé vytvořili kosmologickou teorii? Představa expandujícího vesmíru vzniklého velkým třeskem by je asi ani ve snu nenapadla..?.. Všechny důkazy o počátku Vesmíru a jeho dřívější evoluci akcelerovaná expanze nenávratně "vymaže"..!..
   Pozorovali by sice velké množství hvězd různých generací, s různou metalicitou, mohli by vybudovat stelární jadernou astrofyziku dobře vysvětlující vznik těžších prvků ve vesmíru. Spektrometrickou analýzou by zjistili zastoupení lehkých prvků vodíku, deuteria, hélia v mezihvězdném prostoru. Těžko říci, jakou by si vytvořili teorii pro vznik těchto lehkých prvků..?.. - asi by to nebyla primordiální nukleosyntéza v horkém počátečním vesmíru...
  Na teoretické rovině fundamentální fyziky by na základě experimentů na urychlovačích dobře prozkoumali elementární částice, atomy a další struktury. Vytvořili by to co dnes nazýváme speciální teorií relatity a kvantovou fyziku. Nynější Newtonův gravitační zákon by samozřejmě snadno prozkoumali. Otázkou je, zda by vybudovali i naši obecnou teorii relativity, nebo by dospěli k jiné relativistické fyzice gravitace..?.. Modelovou aplikací na hypotetický homogenní a izotropní vesmír (i když jejich pozorovatelný vesmír by takový nebyl!) by mohli dospět k analogii Fridmanových rovnic. Jedno z jejich řešení - vesmír expandující z hypotetické singularity - by mohli považovat za teoreticky zajímavé, ale natolik bizarní, že by ho asi nedávali do souvislosti se skutečným vesmírem, který by se v té době jevil úplně jiný...
  Poznání ve všech odvětvích astronomie je primárně založeno na pozorováních. Naše dnešní chápání struktury a evoluce vesmíru je založeno především na čtyřech pozorováních :
-> Pozorovaný vztah mezi rudým spektrálním posuvem a vzdáleností u galaxií, který svědčí pro rozpínající se vesmír.
-> Dominantní zastoupení lehkých prvků všude ve vesmíru (v mlhovinách, galaxiích a hvězdách různých generací).
-> Analýza vlastností kosmického mikrovlnného záření jakožto zbytku záře z horkého období Velkého třesku.
-> Velkorozměrová struktura vesmíru ukazující vznik, distribuci a evoluci galaxií.
  Pozorovací fakta, s následnou aplikací fyzikálních zákonů, poskytují astrofyzikální modely vesmíru. Způsoby, jakými jsme objevili tyto základní jevy ve vesmíru, však nebudou dostupné trvale. Naše schopnost prozkoumat základní otázky o struktuře a evoluci vesmíru závisí na tom, kdy a kde v kosmické historii (náhodou) žijeme. To platí i o případných dalších civilizacích, které mohou vznikat v různých etapách evoluce vesmíru.
   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 velmi intenzívní (případ d) v tabulce (5.61)) "fantomová" 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, které nemají vnitřní integritu. 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 - "fantomová" temná energie - 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 g_ik, 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 asi 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; --> Nastane kvantová fluktuace pole v určité oblasti; --> Dojde k rychlé inflační expanzi této fluktuace; --> Po skončení inflace je rozsáhlý vesmírný prostor vyplněn pomaleji expandujícím, téměř rovnoměrně rozloženým prvotním horkým plynem; --> Po jeho ochlazení nehomogenity gravitačně zkondenzují do kup galaxií a galaxií ve zpomaleně expandujícím vesmíru; --> Po dlouhé době převládne temná energie, zrychlující se expanze rozředí veškerou rozptýlenou látku, galaxie uniknou za horizont; --> Galaxie se zhroutí do černých děr, které se pak kvantově vypaří v záření; --> Zrychlující se expanze nekonečně rozředí veškeré zbylé záření; --> 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..!..

Možnosti jiné dynamiky evoluce vesmíru ?
Je třeba upozornit, že shora nastíněné (ostatně hypotetické) scénáře pozdní globální evoluce vesmíru odpovídají především nynější LDCM představě o temné energii. Otázka, zda tato akcelerovaná expanze musí trvat věčně a jaké jsou alternativy, byla stručně diskutována výše v pasáži "Podstata temné energie?".

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 r_L» 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 r_L ~ m_p.c²/l_p² » 10¹¹⁸GeV/cm³ (m_p je Planckova hmotnost, l_p Planckova délka), což je o více než 120 řádů vyšší.!?.
   K analýze tohoto problému by snad své mohl říci i antropický princip (§5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů", viz 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, by mohlo reflektovat, alespoň na filosofické úrovni, tyto skryté záhadné vlastnosti..?..

Stručné a zjednodušené závěrečné shrnutí 1 : Proč "fantomová" temná hmota a temná energie ?
V měřítcích galaxií a kup galaxií se gravitace jeví silnější, než by odpovídalo astronomicky pozorované "svítící" či absorbující hmotě složené z elektronů, protonů a neutronů. Přidává se tedy gravitující temná-skrytá hmota.
   Na větších kosmologických měřítcích, kde se vesmír rozpíná, se naopak gravitace zdá slabší než by odpovídalo celkové přitažlivosti částic obyčejné a temné hmoty. Proto se přidává "temná energie" - slabá antigravitační síla, která působí proti gravitaci a nezávisle na hmotě. Současné modely vesmíru vyžadují temnou energii, aby vysvětlily pozorované zrychlování expanze vesmíru, plynoucí z měření vzdáleností supernov ve vzdálených galaxiích (které se zdají být vzdálenější než by měly být, kdyby se rozšiřování vesmíru nezrychlovalo).
   O otázkách temné hmoty a temné energie však ještě stále pokračují diskuse, vyhodnocují se nová měření a zkoumají se alternativní možnosti..?..

Stručné a zjednodušené závěrečné shrnutí 2 : Jak "zanikne" vesmír ?
Z veškerého našeho pozorování přírody i života plyne zkušenost, že všechno co vzniklo, existuje a vyvíjí se, musí mít i svůj konec - zánik. Tuto vlastnost přisuzujeme i celému vesmíru. V této kapitole 5.6 jsme na řadě míst analyzovali astrofyzikální procesy, které ve vzdálené budoucnosti mohou postupně ukončit dosavadní procesy a existenci vesmíru jak ho známe a způsobit jeho "zánik". Zde si pro přehlednost heslovitě zrekapitulujme základní způsoby, jak by podle současné astrofyziky a kosmologie náš vesmír mohl zaniknout :
1. Kolaps vesmíru - velké "rozdrcení" .
Pokud by hustota hmoty ve vesmíru byla natolik vysoká, aby její gravitační přitažlivost překonala kosmologickou expanzi vesmíru pocházející z velkého třesku, expanze se zastaví a bude následovat kontrakce, která se bude postupně zrychlovat a vesmír skončí gravitačním kolapsem - závěrečný velmi hustý a horký konec vesmíru (teoreticky se zhroutí so singularity), zvaný "velký křach". Vyskytuje se občas názor, že po tomto kolapsu vesmíru může opět dojít k "velkému třesku" a vzniku nového vesmíru, ale jedná se jen o nepodloženou hypothézu... V 60. a 70. letech se odhadovalo, že ke kolapsu vesmíru dojde asi za 100 miliard let.
Podle výsledků novějších astronomických pozorování tento scénář uzavřeného vesmíru není příliš pravděpodobný, vesmír je pravděpodobně otevřený.
2. Nekonečné rozpínání - velké zmrazení, "tepelná smrt" vesmíru .
V opačném případě, když gravitace hmoty ve vesmíru není schopna zbrzdit a zastavit kosmologickou expanzi, bude tato adiabatická expanze pokračovat neomezeně, což povede k nekonečnému zřeďování průměrné hustoty hmoty a k poklesu teploty až prakticky k absolutní nule. Expandující vesmír vyčerpá veškerou energii, všechny procesy ve vesmíru ustanou - "zamrznou" - nastane "tepelná smrt" (podrobněji bylo popsáno na začátku v pasáži "Otevřený vesmír"). Neomezená kosmologická expanze může být důsledkem buď nízké hustoty hmoty ve vesmíru vzhledem k rychlosti kosmologické expanze, nebo antigravitačním účinkem temné energie. Z astrofyzikálního hlediska v průběhu 100 miliard let vyhoří všechny hvězdy a v rozředěném vesmíru již nové vznikat nebudou. Jadernému rozkladu (nestabilita protonů) podlehne i materiál planet, hvězdných trpaslíků, neutronových hvězd. Kvantově se vypaří i černé díry. Za cca 10⁶⁰ let se z vesmíru stane studený prázdný prostor, obsahující jen neustále se rozřeďující záření.
3. Nekonečné zrychlené rozpínání - "velké roztržení" vesmíru .
Tato hypotéza umocňuje předchozí scénář nekonečného rozpínání: pokud by hustota temné energie byla dostatečně vysoká a s rozpínáním vesmíru by vzrůstala, akcelerovaná expanze vesmíru by se mohla postupně neomezeně exponenciálně zrychlovat. Vedlo by to zpočátku k rozptýlení kup galaxií, pak galaxií, odpojení planet od hvězd. Vnitřní tlak zběsile expandujícího prostoru by posléze rozložil hvězdy, planety, pak i molekuly a atomy, atomová jádra, elementární částice a nakonec i strukturu prostoročasu..?.. Zda a kdy by mohlo k něčemu takovému dojít, záleží na velikosti a dynamice chování záhadné a fantomové temné energie, o které dosud téměř nic nevíme. Zatím se objevují jen zcela neurčité odhady za 100-200 miliard let..?..
4. Nestabilita a kolaps vakua - kvantový přechod "falešného vakua" .
Tento poněkud kuriozní scénář je inspirován kvantovou kosmologií velmi raného vesmíru, která předpokládá tzv. inflační expanzi (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.") - nesmírně prudké exponenciální rozepnutí vesmíru, doprovázené (a způsobené) fázovým přechodem z "falešného" energeticky excitovaného vakua do stavu "pravého" vakua s nižší hustotou energie. Může vzniknout hypotetická představa, že ani naše nynější vakuum ve vesmíru není to úplně "pravé" nejnižší, ale je rovněž poněkud "falešné", s tendencí přejít do "pravého" vakua s ještě nižší energií. V takovém případě někde ve vesmíru může vzniknout (spontánně nebo excitací nějakýn vysokoenergetickým procesem) maličká "bublina" pravého nízkoenergetického vakua, která se může exponenciálně rozšiřovat nadsvětelnou rychlostí a stavu nového "skutečného" vakua nakonec podlehne celý vesmír. K tomuto katastrofickému procesu rozkladu vakua by teoreticky mohlo dojít kterémkoli okamžiku. Avšak samotný fakt pokojné existence našeho vesmíru po dobu více jak 13 miliard let nasvědčuje tomu, že pravděpodobnost je zde velice nepatrná, odhaduje se, že v příštích snad 10¹⁰⁰ letech žádní taková katastrofa nehrozí... Kromě toho, podle některých jiných hypotéz by tento proces nedestruoval náš vesmír, ale mohl by vést ke vzniku paralelního jiného vesmíru v topologicky jiném prostoru..?..
   Podle současných astrofyzikálních poznatků se jako nejpravděpodobnější způsob konce vesmíru jeví varianta č. 2. - "tepelná smrt" vesmíru.
Pozn.: 
Nediskutovali jsme zde některé nepravděpodobné scénáře založené na nepodložených hypotézách - jako je oscilující vesmír, či možnosti plynoucí z ekpyrotického modelu...
   Dále je třeba zdůraznit velké astrofyzikální nejistoty které máme o globální struktuře vesmíru, dynamice jeho evoluce, povaze a stavových rovnicích temné hmoty a temné energie. Trochu známe jen současné parametry, možná jen malé části metagalaxie, které se ve vzdálené budoucnosti mohou výrazně změnit. Žádný z možných scénářů konce vesmíru proto není jistý...
Revize akcelerované expanze vesmíru ?
Akcelerovaná expanze vesmíru byla vyvozena v r. 1998-99 z měření asi 60 supernov typu Ia a v následujících letech byla všeobecně uznávaná (bylo diskutováno výše v části "Akcelerovaná expanze vesmíru? Temná energie?"). Novější měření a analýzy frekvenčního posuvu, provedené u 740 supernov typu Ia rozptýlených v různých směrech po obloze, však pravděpodobně ukazují menší míru akcelerované expanze, než jaká byla odvozena z prvních měření. Navíc se zde ukázalo, že toto zrychlení není úplně stejné ve všech směrech, že se může jednat o relativně lokální efekt (je nasměrováno podél našeho zdánlivého pohybu vzhledem ke kosmickému mikrovlnnému záření) a nelze jej jednoznačně připsat temné energii, která by způsobovala stejné zrychlení ve všech směrech. To by mohlo naznačovat, že zrychlení je pozorovacím artefaktem našeho kosmologického umístění a snad dokonce vést k opuštění koncepce akcelerované expanze a temné energie..?.. Definitivní rozhodnutí o expanzní historii našeho vesmíru vyplyne až ze spektrometrických změření mnohem většího počtu supernov a dalších velmi vzdálených objektů pomocí velkých teleskopických systémů.

Jaké je základní složení vemíru ?
Vedle globální struktury a evoluce vesmíru je základním úkolem fyzikální kosmologie též vyjasnit z jaké hmoty - látky, pole, částic - se vesmír skládá? V §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk. Formování struktury vesmíru." jsme viděli, že složení hmoty zaplňující vesmír se v průběhu jeho evoluce výrazně měnilo. Od fluktuujících polí a kvant ve velmi raném vesmíru bezprostředně po velkém třesku, přes kvarky a baryony (protony, neutrony), fotony, elektrony, miony, neutrina, až po lehká atomová jádra vodíku a hélia po prvotní nukleosyntéze a nakonec vznikly všechny těžší atomy při nukleosyntéze ve hvězdách a při výbuchu supernov (§4.1 a 4.2). Látkové složení vesmíru se ustavilo na cca 75% vodíku, 25% hélia a menším množství těžších prvků podle grafu na "Prvky-zastoupeni" v §4.1. Toto všechno je "obyčejná" hmota tvořená baryony, elektrony, fotony.
   Koncepce temné hmoty a temné energie však výrazně mění - doplňuje naši dřívější představu o složení vesmíru. Podle současných poznatků je složení hmoty-energie v nynějším vesmíru následující :

Hmota : ě látka - částice, atomová struktura î pole - rozprostřená forma hmoty (kvantovaná) Hmota ve vesmíru : ě pozorovaná svítící +nesvítící - 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 hmoty "svítící" či absorbující, přístupné pozorování .

Tyto hodnoty byly získány podrobnou analýzou korelace modelu LCDM s obsáhlými astronomickými pozorováními a citlivými měřeními intenzity, spektra a jemných fluktuací reliktního mikrovlnného záření (v poslední době kosmickými sondami WMAP a PLANCK).
   Toto globální složení má i výrazný gnoseologický aspekt. Donedávna jsme si mysleli, že astronomickým pozorováním svítících objektů a absorbujících oblaků plynu a prachu v optickém, infračerveném, radiovém, X či gama oboru elektromagnetického záření 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 neznámé. 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. Vesmír je tvořen převážně něčím, co nevidíme a neznáme. Je to deprimující zjištění, jak málo toho víme o Vesmíru ..!?..

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 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 (které lidi rozdělují), 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. 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. Reálné nebezpečí hrozí od větších těles průměrů desítek metrů s hmotností přes 1000 tun (způsobila by "jen" lokální katastrofu). Při dopadu planetky velikosti několika kilometrů o hmotnosti větší než 10¹²kg by se naráz uvolnila energie větší než 10²²J, což odpovídá explozi více než 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 postupně umožňuje nalézt "rizikové" asteroidy a předpovědět možnou kosmickou kolizi. Jsou v principu dva základní možné způsoby odvrácení hrozící katastrofy :
1. Pokud bychom znali s dostatečným předstihem (několika let) budoucí dráhu takového potenciálně nebezpečného kosmického tělesa, mohli bychom odvrátit hrozící srážku tím, že změníme jeho dráhu - odkloníme ji nebo změníme rychlost tělesa tak, aby dráhu Země křižovalo v době, kdy tam Země není. 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. Nebo ostřelování vysoce výkonnými laserovými paprsky. Uvažuje se i o uvedení kosmické sondy na dráhu poblíž asteroidu, která by svým gravitačním působením pozvolna dráhu asteroidu odchylovala.
2. Další možností by bylo rozbití tělesa explozí, přičemž však 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, vhodný jen pro menší asteroidy (jejichž fragmenty by většinou shořely v atmosféře).
   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 ..?..

Stručná rekapitulace :
Vznik, struktura a evoluce vesmíru
Pro lepší přehlednost si velké množství poznatků a hypotéz o vzniku a evoluci vesmíru, diskutovaných v §5.2 - 5.6, bude účelné stručně a zjednodušeně zrekapitulovat v rámci současného standardního kosmologického modelu v několika bodech, zachycujících základní procesy :
-> Vznik vesmíru
se předpokládá před cca 13,8 miliardami let v explozivním velmi horkém tzv. velkém třesku. Hypotetická iniciální singularita byla spíše "topologickou pěnou" prostoročasu. Zpočátku neexistovala kauzalita ani žádné fyzikální zákony, všechny fyzikální síly byly spojeny. V Planckově čase 10^-43 s. začala fungovat gravitace; silná, slabá a elektromagnetická interakce byly ještě sjednocené. Vznikl prostočas, následovala rychlá expanze vesmíru.
-> Inflační expanze vesmíru
nastala téměř okamžitě po velkém třesku a osamostatnění gravitace, v 10^-35 sekundě. Byla velmi prudká ale krátká, po cca 10^-32 sekundě se zastavila a vesmír se pak již rozpínal podle Fridmanova modelu. Inflační expanze velmi raného vesmíru zajistila, že vesmír se stal globálně hladký a plochý. Energie inflační expanze se přeměnila na základní částice - leptony, kvarky, gluony..... Silná interakce se oddělila od elektro-slabé. Kvarky a gluony byly zpočátku volné, tvořily tzv. kvark-gluonovou plasmu. Předpokládá se, že zde též vznikly zatím neznámé částice tzv. temné hmoty..?.
-> Hadronová éra
Po první mikrosekundě se v kvark-gluonové plasmě vlivem silné interakce volné kvarky spojují do hadronů, především protonů, neutronů a nestabilních mesonů. Vlivem tzv. baryonové asymetrie vzniklo poněkud více hmoty než antihmoty (v poměru 1:10⁹).
-> Leptonová éra
V čase 10^-4 s. nukleony a antinukleony vzájemně anihilovaly (na piony které se rozpadly na miony, elektrony a neutrina), zůstal jen malý přebytek 10^-9 nukleonů. Převládala rovnovážná směs lehkých částic - leptonů - elektronů, pozitronů, neutrin, ve směsi s fotony.
-> Prvotní kosmologická nukleosyntéza
V čase 10 s. - cca 1000 s. docházelo k fúzi protonů a zbývajících volných neutronů za vzniku jader deuteria ²H, tritia ³H, hélia ⁴He a ³He, v malém množství berylia, lithia, boru. Konečným výsledkem této primordiální nukleosyntézy bylo zastoupení atomových jader : 75% vodíku ¹H, 25% hélia ⁴He, malé množství deuteria ²H (~4×10^-3 %), hélia ³He (~2×10^-3 %) a stopové množství Li, Be, B. Těžší prvky mohly vznikat až mnohem později, ve hvězdách.
-> Fotonová éra záření
Ve všech shora zmíněných raných období vesmíru panovala vysoká teplota - velká kinetická energie částic a fotonů, látka ve vesmíru byla v plasmatickém skupenství. V období ~10 s. ÷ 10¹³ s. ve vesmíru převládala radiačně dominující fotonová plasma.
-> Vznik atomů ("rekombinace") - Éra látky
V čase cca 380 000 let, kdy teplota poklesla pod 3000 °K, se protony a jádra hélia spojují s elektrony do neutrálních atomů vodíku a hélia. Vesmír se stává průhledný pro světlo, jeho hmota je tvořena plynným vodíkem a héliem.
-> Formování velkorozměrových struktur - vznik galaxií a hvězd
Po vzniku atomů ("rekombinaci") nastala "doba temna", neboť záření z raného horkého vesmíru již pohaslo a nebyly ještě žádné hvězdy. Chladná hmota, plynný vodík a hélium, se začíná organizovat do rozsáhlých struktur prostřednictvím gravitační kontrakce, utvářejí se galaxie a kupy galaxií (formování velkých struktur výrazně napomáhala i tzv. temná hmota). Gravitační kontrakcí hustších oblaků plynu vzniká první generace hvězd, které svým zářením ukončují "dobu temna". Masivní hvězdy termonukleárně syntetizují z vodíku a hélia těžší prvky, vybuchují jako supernovy a obohacují okolní látku o těžké prvky. Z této látky vznikají pak hvězdy dalších generací, mezi nimi i naše Slunce. Hvězdy po svém vzniku jsou obklopeny oblaky zbylého plynu ("protoplanetární disky"), v nichž postupně vznikají planety obíhající kolem centrální hvězdy (jako jsou planety sluneční soustavy včetně Země).
-> Pozdní evoluce, budoucnost vesmíru
Během všech těchto procesů stále probíhala expanze vesmíru, která se postupně zpomalovala přitažlivým gravitačním působením veškeré hmoty vesmíru, včetně temné hmoty. Toto zpomalování expanze však trvalo jen asi 7 miliard let. Po dostatečném zředění gravitující hmoty začala převládat tzv. temná energie, která má antigravitační účinky. Zpomalování expanze se tím postupně zmenšovalo, až přešlo ve zrychlování expanze. Tato situace trvá i nyní a v budoucnu se očekává pokračující akcelerovaná expanze vesmíru. Ve vzdálené budoucnosti (~ stovky miliard let) by to vedlo k "tepelné smrti vesmíru" - naprostému ochlazení prakticky na absolutní nulu, zastavení všech procesů, roztažení všech struktur za horizont událostí (někdy se diskutuje i tzv. "velké roztržení" všeho..?..).

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

Vojtěch Ullmann