Kosmické prázdnoty: Obří bubliny nicoty ve velkoškálové struktuře vesmíru a co vypovídají o temné energii

Trojrozměrná rekonstrukce kosmické pavučiny a obřích prázdnot ve velkoškálové struktuře vesmíru z dat přehlídek galaxií. Oblasti s nízkou hustotou hmoty tvoří většinu objemu kosmu a poskytují unikátní sondu do povahy temné energie. Kredit: NASA / JPL-Caltech / SDSS

Když pohlížíme na velkolepé mapy hlubokého vesmíru, lidská pozornost přirozeně směřuje k tomu, co září: k elegantním spirálním galaxiím, hustým kupám tvořeným tisíci galaktických ostrovů a oslnivým aktivním kvazarům. Z hlediska celkové geometrie a vývoje kosmu jsou však tyto zářící objekty pouhou povrchovou pěnou. Moderní kosmologie odhaluje překvapivou skutečnost: více než 75 až 80 % celkového objemu vesmíru je tvořeno gigantickými prostory temnoty a relativní nicoty – takzvanými kosmickými prázdnotami (cosmic voids).

Tyto kolosální bubliny měří v průměru od desítek po stovky milionů světelných let. Hustota hmoty uvnitř nich klesá na pouhých 10 až 20 % průměrné hustoty vesmíru. Z fyzikálního hlediska však prázdnoty nepředstavují pouhou nudnou pustinu. Jsou to dynamické struktury, v nichž je gravitační vliv běžné i temné hmoty potlačen na minimum, což z nich činí unikátní přírodní laboratoř. Právě zde, kde gravitace kapituluje, se v plné síle projevuje největší záhada moderní vědy: temná energie ženoucí zrychlené rozpínání časoprostoru.

Objev bublin nicoty: Od Prázdnoty v Pastýři po přehlídky SDSS a DESI

Až do konce 70. let 20. století převládal v astronomii předpoklad, že galaxie jsou ve vesmíru rozptýleny víceméně rovnoměrně jako molekuly v plynu. Zásadní průlom přišel v roce 1981, kdy astronomové Robert Kirshner, Augustus Oemler, Paul Schechter a Stephen Shectman publikovali výsledky spektroskopické přehlídky červených posuvů galaxií. K naprostému úžasu vědecké komunity objevili v souhvězdí Pastýře obrovskou sféroidální oblast prakticky zbavenou jakékoliv zářící hmoty – slavnou Prázdnotu v Pastýři (Boötes Void).

Tato monumentální bublina dosahuje průměru přibližně 330 milionů světelných let a její objem činí zhruba 250 000 krychlových megaparseků:

• V běžném objemu vesmíru této velikosti by se mělo nacházet zhruba 10 000 jasných galaxií.
• V celé Prázdnotě v Pastýři astronomové objevili pouhých přibližně 60 izolovaných galaxií, navíc soustředěných v tenkém centrálním vlákně.
• Kdyby se naše Mléčná dráha🪐 AstroWiki EncyklopedieMléčná dráhaNaše domovská spirální galaxie s příčkou, se 100–400 miliardami hvězd, supermasivní černou dírou Sagittarius A* a rozsáhlým halem temné hmot...Otevřít heslo v encyklopedii → nacházela uprostřed této prázdnoty, noční obloha by byla kromě hvězd naší Galaxie naprosto černá; existenci jiných galaxií by lidstvo objevilo až s nástupem největších dalekohledů 60. let 20. století.

Následné rozsáhlé přehlídky, jako CfA Redshift Survey, 2dF Galaxy Redshift Survey a zejména Sloan Digital Sky Survey (SDSS), ukázaly, že Prázdnota v Pastýři není anomálií, nýbrž typickým stavebním prvkem vesmíru. Kosmos připomíná mýdlovou pěnu či trojrozměrnou pavučinu: galaxie a jejich kupy jsou stlačeny do tenkých stěn, vláken a uzlů, zatímco drtivou většinu prostoru tvoří prázdné vnitřky bublin.

Fyzika kosmických prázdnot: Negativní gravitace a super-expanze

Z hlediska gravitační hydrodynamiky vznikly prázdnoty z nepatrných záporných hustotních fluktuací v raném vesmíru po velké inflaci. V místech, kde byla hustota hmoty o zlomek procenta nižší než průměr, působila slabší gravitační přitažlivost:

Kontrast hustoty hmoty δ(r) je definován jako:

δ(r) = [ρ(r) - ρ_stř] / ρ_stř

Zatímco v galaktických kupách dosahuje δ hodnot stovek až tisíců (δ >> 1, režim gravitačního kolapsu), v jádrech kosmických prázdnot klesá δ k hodnotám -0,8 až -0,9. Vzhledem k tomu, že okolní husté stěny a vlákna přitahují hmotu silněji, dochází k jevu zvanému gravitační vyprazdňování: zbývající plyn a galaxie jsou gravitačně vysávány z vnitřku prázdnoty směrem k jejím okrajům.

Tento proces způsobuje, že se prázdnoty chovají jako oblasti s efektivní „antigravitací“. Zatímco gravitačně vázané kupy galaxií kolabují a jejich expanze se zcela zastavila, kosmické prázdnoty se nafukují rychleji než průměrný vesmír (super-Hubbleova expanze). Vnitřní geometrie časoprostoru uvnitř prázdnoty vykazuje lokální záporné prostorové zakřivení (otevřený vesmír), což z nich činí jedinečné dynamické domény ovládané vakuovou energií.

Alcockův-Paczyńského geometrický test

Kosmické prázdnoty představují ideální nástroj pro realizaci klasického Alcockova-Paczyńského testu. Z fyzikálního principu kosmologické izotropie vyplývá, že pokud složíme dohromady (stacking) tisíce náhodně orientovaných kosmických prázdnot, jejich průměrný tvar musí být dokonale kulovitý.

Pokud však astronomové měří rozměry prázdnoty v radiálním směru (podle červeného posuvu Δz) a v transverzálním směru (podle úhlového rozměru Δθ), zdánlivá sférická geometrie závisí na správné volbě kosmologického modelu:

Δr_paralelní = [c / H(z)] × Δz
Δr_kolmý = (1 + z) × D_A(z) × Δθ

kde H(z) je Hubbleův parametr v dané epoše a D_A(z) je úhlová vzdálenost. Jakákoliv odchylka složeného profilu od dokonalé koule odhaluje nepřesnost v parametrech expanze vesmíru. Touto metodou dokážou vědci změřit zrychlování rozpínání vesmíru a parametry temné energie zcela nezávisle na měření supernov typu Ia či reliktního záření.

Integrovaný Sachs-Wolfeův jev: Otisky nicoty v reliktním záření

Jedním z nejpřímějších fyzikálních důkazů dominance temné energie v kosmických prázdnotách je pozdní Integrovaný Sachs-Wolfeův jev (ISW).

Fotony reliktního mikrovlnného záření (CMB), které vznikly pouhých 380 000 let po velkém třesku, musely na své cestě k nám proletět stovkami kosmických prázdnot a kup galaxií:

1. Když foton vstupuje do gravitačního potenciálu kosmické prázdnoty (která působí jako gravitační kopec), musí šplhat proti spádu potenciálu a ztrácí energii (gravitační rudý posuv).
2. Ve vesmíru vyplněném pouze hmotou by se gravitační potenciál v čase neměnil; foton by při sestupu z druhé strany kopce získal přesně stejné množství energie zpět (ΔE = 0).
3. V epoše ovládané temnou energií se však prázdnota během průletu fotonu (což trvá stovky milionů let) rychle rozpíná a její gravitační potenciálová jáma se v čase vyhlazuje (∂Φ/∂t ≠ 0).
4. Když foton prázdnotu opouští, gravitační kopec je již plošší. Foton nezíská zpět všechnu energii a opouští prázdnotu s nepatrným čistým energetickým deficitem.

Výsledkem je, že ve směru velkých kosmických prázdnot pozorujeme v mapách reliktního záření nepatrné chladné anomálie s teplotním poklesem o několik mikrokelvinů. Statistická korelace mezi katalogy prázdnot z přehlídek BOSS a teplotními mapami družice Planck poskytla neotřesitelný důkaz existence temné energie.

„Pokud chceme porozumět temné energii, musíme obrátit dalekohledy tam, kde téměř nic není. Kosmické prázdnoty nejsou prázdným jevištěm – jsou to největší a fyzikálně nejčistší struktury kosmu, které v sobě uchovávají nezkreslený záznam o expanzi našeho světa,“ vysvětluje kosmoložka Alice Pisani z Cooper Union a Flatiron Institute.

Laboratoř pro modifikovanou gravitaci a vážení neutrin

Kromě výzkumu temné energie se kosmické prázdnoty staly nejpřísnějším testovacím polygonem pro alternativní teorie gravitace:

• Odstínění modifikované gravitace (Screening mechanisms): Mnoho teoretických alternativ k Einsteinově obecné relativitě (například f(R) gravitace či chameleonová pole) předpokládá existenci páté síly. Aby tyto teorie neodporovaly mimořádně přesným pozorováním ve Sluneční soustavě, zavádějí tzv. screening: v hustém prostředí hvězd a galaxií je dodatečná síla potlačena. Pouze v extrémně nízké hustotě kosmických prázdnot stínící mechanismus selhává a modifikovaná gravitace by se zde měla plně projevit v dynamice rozptylu galaxií a gravitačním čočkování.
• Hmotnost kosmických neutrin: Reliktní neutrina z velkého třesku mají nepatrnou nenulovou klidovou hmotnost. Díky své vysoké rychlosti (free-streaming) snadno unikají z gravitačních pastí galaktických kup a koncentrují se uvnitř prázdnot. Přítomnost neutrin v prázdnotách mění profil hustoty hmoty na jejich okrajích. Měřením profilů tisíců prázdnot tak mohou astrofyzici stanovit horní limit pro součet hmotností všech tří typů neutrin (Σm_ν) s přesností, jíž pozemské laboratoře nemohou konkurovat.

Nová éra s misemi Euclid, Roman a DESI

V současnosti probíhá revoluce v mapování kosmických prázdnot. Spektroskopický přístroj DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) v Arizoně již změřil červené posuvy více než 40 milionů galaxií a kvazarů a buduje největší trojrozměrnou mapu vesmíru v dějinách.

Současně evropský vesmírný dalekohled Euclid a připravovaný teleskop Nancy Grace Roman identifikují stovky tisíc nových prázdnot v hlubokém kosmu až do červeného posuvu z ≈ 2. Tyto gigantické statistické soubory umožní změřit stavovou rovnici temné energie w(z) a její případný časový vývoj s přesností na zlomky procenta. Kosmická nicota tak lidstvu poskytuje odpovědi na ty nejhlubší otázky o podstatě fyzikální reality.

Reference

[1] Kirshner, R. P., Oemler, A., Schechter, P. L., & Shectman, S. A. (1981). A million cubic megaparsec void in Boötes?. The Astrophysical Journal Letters, 248, L57–L60. DOI: 10.1086/183623.
[2] Pisani, A., Sutter, P. M., Hamaus, N., et al. (2019). Cosmic voids: a novel probe to shed light on our Universe. Bulletin of the American Astronomical Society, 51(3), 40. arXiv:1903.05161.
[3] Granett, B. R., Neyrinck, M. C., & Szapudi, I. (2008). An Imprint of Superstructures on the Microwave Background due to the Integrated Sachs-Wolfe Effect. The Astrophysical Journal Letters, 683(2), L99–L102. DOI: 10.1086/591670.
[4] Hamaus, N., Pisani, A., Sutter, P. M., et al. (2016). Constraints on Cosmology and Gravity from the Cosmic Void-Galaxy Correlation Function. Physical Review Letters, 117(9), 091302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.091302.
[5] DESI Collaboration (2024). DESI 2024 VI: Cosmological Constraints from the Measurements of Baryon Acoustic Oscillations and Cosmic Voids. arXiv:2404.03002.
[6] Sutter, P. M., Lavaux, G., Wandelt, B. D., & Weinberg, D. H. (2012). A public cosmic void catalog from the SDSS Data Release 7. The Astrophysical Journal, 761(1), 44. DOI: 10.1088/0004-637X/761/1/44.