vědecké důkazy | Svět2000

Takhle vypadal gigantický výbuch, který zrodil překrásné galaxie

28. 10. 2026 Iveta Mauci, šéfredaktorka 0 komentářů 7 min read 38 Zobrazení fyzikální zákony, helium, Lumina, simulace, světlo, vědecké důkazy, Velký třesk, vznik galaxií

Fyzika Nové Vesmír Vesmírné objevy Zajímavosti

Digitální laboratoř pro poznávání kosmu. Vědci vytvořili rozsáhlý fyzikální model, který propojuje gravitační působení temné hmoty, pohyb plynu, vznik hvězd a galaxií i účinky záření.

Chtěli zjistit, jak vypadal vesmír v době, kdy se teprve formovaly jeho první galaxie a světlo začínalo proměňovat obrovské oblasti kosmického prostoru.

Odpovědi pomáhá hledat Lumina, mimořádně rozsáhlá počítačová simulace, která propojuje fyzikální teorie s objevy nejmodernějších vesmírných dalekohledů. Vědcům umožňuje nahlédnout do prvních dvou miliard let kosmické historie s dosud nevídaným rozsahem a podrobnostmi.

Představte si vesmír, ve kterém se ještě nevyvinuly galaxie do dnešní podoby, plyn vyplňuje obrovské prostory mezi rodícími se hvězdnými soustavami a neviditelná temná hmota určuje, kde se začne shlukovat běžná hmota. Právě takový kosmos se nyní astronomové snaží rekonstruovat pomocí výkonných superpočítačů.

Významný krok tímto směrem představuje simulace nazvaná Lumina, kterou vytvořil mezinárodní vědecký tým spojený s Centrem pro astrofyziku na Harvardu a Smithsonově institutu.

Model zachycuje vzájemné působení plynu, temné hmoty a záření v raném vesmíru. Pomáhá vysvětlovat, jak se z původně odlišných kosmických struktur postupně utvářel vesmír, který pozorujeme dnes.

Výsledky výzkumu byly publikované v odborném časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Vesmírný příběh od samého začátku

Astronomové dnes díky Vesmírnému dalekohledu Jamese Webba získávají stále podrobnější pohled na velmi vzdálené galaxie. Jejich světlo k nám putovalo miliardy let, takže pozorováním těchto objektů vědci nahlížejí také do dávné minulosti vesmíru.

Se světlem však přicházejí i otázky: Jak rychle se první galaxie formovaly? Jak ovlivňovaly své okolí? a Odpovídají jejich vlastnosti dosavadním představám o vývoji kosmu? Samotné pozorování nemusí na všechny tyto otázky stačit.

Dalekohledy zachycují světlo a další měřitelné projevy vzdálených objektů, zatímco počítačové simulace umožňují zkoumat fyzikální procesy, které vedly k jejich vzniku.

Lumina proto není jen digitálním obrazem vesmíru. Je to rozsáhlý fyzikální model, který propojuje gravitační působení temné hmoty, pohyb plynu, vznik hvězd a galaxií i účinky záření. Vědci díky němu mohou sledovat, jak se jednotlivé procesy navzájem ovlivňovaly během prvních dvou miliard let kosmické historie.

„Abychom pochopili, co s dalekohledem Jamese Webba pozorujeme, musíme naše teorie převést do podrobných předpovědí,“ vysvětluje hlavní autor studie Oliver Zier z Centra pro astrofyziku na Harvardu a Smithsonově institutu.

Právě porovnání těchto předpovědí se skutečnými pozorováními může ukázat, zda dosavadní vědecké modely obstojí, nebo zda bude nutné některé jejich části přehodnotit.

Kosmická síť, kterou nevidíme

Jedním z nejzajímavějších aspektů simulace je způsob, jakým zachycuje rozsáhlou strukturu vesmíru. Galaxie totiž nejsou rozptýleny náhodně. Ve velkých měřítcích vytvářejí síť vláken, uzlů a rozsáhlých prázdnějších oblastí. Této struktuře se říká kosmická síť.

Její podobu významně ovlivňuje temná hmota. Tu astronomové nemohou pozorovat přímo prostřednictvím vyzařovaného světla, její přítomnost však odvozují z gravitačních účinků na běžnou hmotu a světlo. Temná hmota vytváří gravitační prostředí, v němž se může shlukovat plyn a vznikat galaxie.

Lumina modeluje tyto vztahy v mimořádně velkém objemu prostoru a současně zachovává dostatečné rozlišení pro studium jednotlivých galaxií a dalších světelných objektů. Díky tomu mohou vědci sledovat nejen vznik kosmických struktur, ale také to, jak jejich vývoj ovlivňuje okolní prostředí.

Simulace pokrývá oblast odpovídající krychli o délce hrany přibližně 1,5 miliardy světelných let. Takové měřítko umožňuje spojovat děje na úrovni jednotlivých galaxií s procesy, které probíhají napříč rozsáhlými částmi vesmíru.

Podstatné přitom není pouze množství prostoru, které model zahrnuje. Lumina podle autorů pokrývá více než stonásobný objem oproti předchozím srovnatelným simulacím tohoto typu, aniž by se vzdávala detailů potřebných ke zkoumání vzniku galaxií.

Digitální laboratoř pro poznávání kosmu: Simulace velkého třesku.

Když záření mění celý vesmír

Zvláštní pozornost vědci věnují také procesu zvanému reionizace helia. Jde o proměnu, při níž energetické záření odtrhává elektrony od atomů helia. Tento proces souvisí s vývojem záření v kosmu a s tím, jak první generace hvězd a další energetické zdroje ovlivňovaly prostředí mezi galaxiemi.

Pro pochopení raného vesmíru je důležité vědět nejen to, kde se nacházely první galaxie, ale také jak jejich záření měnilo okolní plyn. Kosmické prostředí totiž nebylo pouhým pasivním pozadím. Záření a hmota se vzájemně ovlivňovaly a tyto interakce měly vliv na další vývoj galaxií i mezihvězdného a mezigalaktického prostředí.

Lumina jako první simulace tohoto rozsahu zachycuje reionizaci helia v průběhu jejího vývoje a umožňuje, aby se její účinky bezprostředně promítaly do dalších fází modelované historie vesmíru.

Podle spoluautora studie Aarona Smithe z Texaské univerzity v Dallasu tak mohou vědci sledovat, jak se vodík a helium v obrovském objemu prostoru proměňovaly do podob, které známe z dnešního vesmíru, a zároveň rozlišovat galaxie a další světelné objekty, jež tyto změny poháněly.

Struktura kosmické sítě simulovaná Luminou, ukazující, kde se hélium v raném vesmíru změnilo do své moderní formy (azurové oblasti).

Patnáct tisíc grafických procesorů pro jediný vesmír

Za vytvořením Luminy nestojí pouze propracovaná fyzika, ale také výpočetní výkon, který by ještě před několika desetiletími působil jako science fiction.

Simulace využila více než 15 000 grafických procesorů pracujících na superpočítači Frontier v Národní laboratoři Oak Ridge v americkém Tennessee. Tento systém patří mezi nejvýkonnější superpočítače světa a umožňuje provádět obrovské množství výpočtů souběžně.

Každý krok simulace musí zohledňovat složité vztahy mezi gravitací, pohybem plynu, zářením a vznikem kosmických objektů. Všechny tyto procesy navíc probíhají na různých prostorových měřítkách. Model proto musí současně zachytit rozsáhlou kosmickou strukturu i dostatečné detaily jednotlivých galaxií.

Právě spojení velkého objemu a vysokého rozlišení představuje jeden z hlavních přínosů Luminy. Vědci díky němu mohou zkoumat, jak děje na úrovni galaxií souvisejí s proměnami celého kosmického prostředí.

Co když se vesmír nechová podle našich představ?

Skutečný význam simulace se ukáže při porovnávání jejích výsledků s daty z astronomických pozorování. Vědci mohou například zkoumat, zda model předpovídá vlastnosti raných galaxií podobné těm, které zaznamenal dalekohled Jamese Webba. V budoucnu bude důležitým zdrojem dat také Vesmírný dalekohled Nancy Grace Romanové, jehož širokoúhlá pozorování mají pomoci mapovat rozsáhlé oblasti vesmíru.

Pokud se výsledky simulace a pozorování shodují, podporuje to použité fyzikální předpoklady. Jestliže se naopak objeví významné rozdíly, může to ukázat na chybějící proces, nepřesný předpoklad nebo dosud nepochopenou vlastnost raných galaxií.

To ovšem neznamená, že každá odchylka automaticky vyvrací současné teorie. Rozdíly mohou vznikat také kvůli omezením pozorování nebo samotného modelu. Právě proto jsou rozsáhlé simulace užitečné: umožňují vědcům testovat různé možnosti a přesněji určit, kde se jejich znalosti setkávají s hranicemi.

Tým plánuje využívat Luminu k dalšímu zkoumání pohybu plynů mezi galaxiemi, vlivu záření na kosmický vývoj i proměn oblastí, v nichž intenzivně vznikají nové hvězdy.

Digitální laboratoř pro poznávání kosmu

Lumina nepřináší definitivní odpovědi na všechny otázky o vzniku vesmíru. Nabízí však něco mimořádně cenného: možnost porovnávat pozorovaný kosmos s podrobným modelem, který propojuje obrovské prostorové měřítko s fyzikálními procesy probíhajícími uvnitř galaxií a v jejich okolí.

Moderní astronomie tak stále více spojuje dvě cesty k poznání. Jednou je přímé pozorování světla, které k nám putovalo miliardy let. Druhou jsou výpočty, jež pomáhají rekonstruovat příběh, který se za tímto světlem skrývá.

Až budou astronomové zkoumat další vzdálené galaxie, Lumina jim může pomoci určit, zda jejich vlastnosti odpovídají dosavadním představám o kosmické historii. Případné nesrovnalosti přitom nemusí znamenat neúspěch. Mohou být naopak prvním náznakem, že vesmír má stále co odhalovat.

Zdroj: EurekAlert

Pivo má mít čepici, podle vědců jde o důležitou chemickou a fyzikální reakci

28. 2. 2024 Adam Walko 0 komentářů 2 min read 479 Zobrazení čepování, pivo, správná konzumace, vědecké důkazy

TOP 10 Věda Zajímavosti

Všimli jste si někdy, že pivo s hustou pěnou má lepší chuť? Asi ano. Ať chceme nebo ne, má to své vědecké opodstatnění. Ne nadarmo naši předkové čepovali pivo pomalu a s pořádnou pěnou. Jako by už tehdy věděli, že uspěcháním tohoto procesu si zaděláváme na pořádný malér v podobě zdravotních komplikací.

Podívejme se tedy na to, proč pivo pění méně, když nakloníte sklenici. Co má pivo „navíc“ oproti ostatním nápojům, že se jeho bublinky udrží na hladině tak dlouho a vytvoří pověstnou bílou čepici? Možná vám to připadá jako hloupá otázka, ale na tuto odpovídají samotní vědci.

Pěna je fyzika a chemie, píše Christophe Lavelle, výzkumník v oblasti molekulární biofyziky, epigenetiky a potravin, v článku publikovaném v The Conversation. Nejprve fyzika, protože je to velmi zvláštní stav hmoty, tvořený bublinami plynu rozptýlenými v kapalině. Chemie protože, aby se tyto bubliny „udržely“, potřebují spojence, kterému říkáme „povrchově aktivní látka“ a který může mít velmi různorodou chemickou povahu. V kuchyni se často setkáme s lecitiny a proteiny, které velmi dobře poslouží k vytvoření tradičních pusinek nebo i jiných pěn.

A aby vznikla pěna, musí tam být nejen bubliny, ale také, a to především, musí být dostatečně stabilní, aby se na sebe nabalily, aniž by praskly. Perlivé limonády, podobně jako takzvaná „šumivá“ vína, odhalují své šumění již při otevření láhve a uvolňují v ní rozpuštěný oxid uhličitý (CO 2) ve formě bublin: ten pak ve skutečnosti „pění“… a znovu, když nalijete nápoj do sklenice,… ale tato pěna zmizí téměř okamžitě!

Co má tedy pivo „navíc“ oproti ostatním nápojům, že se jeho bublinky udrží na hladině tak dlouho a vytvoří pověstnou bílou čepici, který milovníci piva milují? Povrchově aktivní látky! Bílkoviny obsažené v ječném sladu a isohumulon, molekula, která vzniká rozkladem lupulinu z chmele během kvašení, obklopují bublinky, když stoupají k hladině a vytvářejí ochranný plášť, který jim umožňuje se na sebe nabalovat,… než po několika minutách konečně prasknou.

Když už jsme pochopili chemii, jak můžeme „řídit“ objem pěny? Tím, že se vrátíme k fyzice: čím více je kapalina narušována, tím větší je objem uvolněného plynu. To je důvod, proč pivo čepované do střední části sklenice vytvoří velké množství pěny, zatímco pokud se nalévá velmi jemně (a tedy bez otřesů) po celé délce sklenice, zůstane pěna řídká. Je to však dobrý nápad? Ne nutně, protože veškerý plyn, který se při servírování neuvolní, se uvolní… narušením až v žaludku! Ze stejného důvodu nedoporučujeme pít pivo přímo z láhve. V obou případech je nadýmání během trávení zaručeno!

Gravitace: Důvod, proč stojíme nohama na Zemi, je pro vědce stále záhadou

17. 9. 2022 Iveta Mauci, šéfredaktorka 4 min read 634 Zobrazení gravitace, vědecké důkazy, velká neznámá, záhady, Země

Nové TOP 10 Zajímavosti

Gravitace je jednou ze čtyř základních sil ve vesmíru, vedle elektromagnetismu a silných a slabých jaderných sil. Navzdory tomu, že je všudypřítomná a důležitá pro to, aby naše nohy neodletěly ze Země, gravitace zůstává pro vědce z velké části záhadou, napsal server Livescience.

Starověcí učenci, kteří se snažili popsat svět, přišli s vlastními vysvětleními, proč věci padají k zemi. Řecký filozof Aristoteles tvrdil, že předměty mají přirozenou tendenci pohybovat se směrem ke středu vesmíru, o kterém věřil, že je středem Země, podle fyzika Richarda Fitzpatricka z Texaské univerzity.

Ale pozdější zjištění vytlačily naši planetu z její primární pozice ve vesmíru. Polský polyhistor Nicolas Copernicus si uvědomil, že dráhy planet na obloze dávají mnohem větší smysl, pokud je slunce středem sluneční soustavy. Britský matematik a fyzik Isaac Newton rozšířil Koperníkovy poznatky a usoudil, že jak slunce přitahuje planety, všechny objekty na sebe působí přitažlivou silou.

Ve svém slavném pojednání z roku 1687 „Philosophiae naturalis principia mathematica“ (Matematické principy přírodní filozofie), popsal Newton to, co se nyní nazývá jako jeho zákon univerzální gravitace. Obvykle se píše takto:

Fg = G ( _m1^∙_m2 ) _/ r2

Kde F je gravitační síla, m1 a m2 jsou hmotnosti dvou objektů a r je vzdálenost mezi nimi. G, gravitační konstanta, je základní konstanta, jejíž hodnotu je třeba zjistit experimentem.

Gravitace je mocná, ale ne tak mocná

Gravitace je nejslabší ze základních sil. Tyčový magnet elektromagneticky vytáhne kancelářskou sponku nahoru a překoná gravitační sílu celé Země. Fyzici vypočítali, že gravitace je 10^40 (to je číslo 1 následované 40 nulami) krát slabší než elektromagnetismus, podle Nova PBS.

Zatímco účinky gravitace lze jasně vidět na škále věcí, jako jsou planety, hvězdy a galaxie, gravitační síla mezi každodenními předměty je extrémně obtížné změřit. V roce 1798 provedl britský fyzik Henry Cavendish jeden z prvních vysoce přesných experimentů na světě, aby se pokusil přesně určit hodnotu G, gravitační konstanty, jak uvádí Sborník z Národní vědecké akademie.

Cavendish postavil to, čemu se říká torzní váha, a připevnil dvě malé olověné kuličky na konce trámu zavěšeného vodorovně tenkým drátem. Poblíž každé z malých kuliček umístil velké kulové olověné závaží. Malé olověné kuličky byly gravitačně přitahovány k těžkým olověným závažím, což způsobilo, že se drát zkroutil jen o malý kousek a umožnilo mu vypočítat G.

Je pozoruhodné, že Cavendishův odhad pro G byl pouze o 1 % nižší od jeho moderní akceptované hodnoty 6,674 × 10^−11 m^3/kg^1 * s^2. Většina ostatních univerzálních konstant je známa s mnohem vyšší přesností, ale protože je gravitace tak slabá, vědci musí navrhnout neuvěřitelně citlivé zařízení, aby se pokusili změřit její účinky. Přesnější hodnota G dosud jejich přístrojovému vybavení unikala.

Německo-americký fyzik Albert Einstein způsobil další revoluci v našem chápání gravitace. Jeho teorie obecné relativity ukázala, že gravitace vzniká ze zakřivení časoprostoru, což znamená, že i paprsky světla, které musí toto zakřivení následovat, jsou ohýbány extrémně masivními objekty.

Einsteinovy teorie byly použity ke spekulacím o existenci černých děr – nebeských entit s takovou hmotností, že z jejich povrchů nemůže uniknout ani světlo. V blízkosti černé díry Newtonův zákon univerzální gravitace již přesně nepopisuje pohyb objektů, ale přednost mají Einsteinovy rovnice tenzorového pole.

Astronomové od té doby objevili ve vesmíru skutečné černé díry a dokonce se jim podařilo zachytit detailní fotografii té nejvíc kolosální, která žije ve středu naší galaxie. Jiné dalekohledy viděly efekty černých děr po celém vesmíru.

Aplikace Newtonova gravitačního zákona na extrémně lehké objekty, jako jsou lidé, buňky a atomy, zůstává podle „Minute Physics“ trochu neprobádanou hranicí. Výzkumníci předpokládají, že takové entity se navzájem přitahují pomocí stejných gravitačních pravidel jako planety a hvězdy, ale protože je gravitace tak slabá, je těžké to vědět s jistotou.

Atomy se možná navzájem gravitačně přitahují rychlostí jedna na svou krychlovou vzdálenost místo na druhou – naše současné přístroje to nedokážou říct. Nové skryté aspekty reality by mohly být dostupné, kdybychom mohli měřit tak nepatrné gravitační síly.

Věčná síla tajemství

Gravitace mate vědce i jinak. Standardní model částicové fyziky, který popisuje působení téměř všech známých částic a sil, vynechává gravitaci. Zatímco světlo je neseno částicí zvanou foton, fyzici netuší, zda existuje ekvivalentní částice pro gravitaci, která by se nazývala graviton.

Spojení gravitace v teoretickém rámci s kvantovou mechanikou, další velký objev fyzikální komunity 20. století, zůstává nedokončeným úkolem. Taková teorie všeho, jak je známo, se možná nikdy neuskuteční.

Ale gravitace byla stále používána k odhalování monumentálních nálezů. V 60. a 70. letech astronomové Vera Rubin a Kent Ford ukázali, že hvězdy na okrajích galaxií obíhají rychleji, než by bylo možné. Bylo to skoro, jako by za ně gravitačně tahala nějaká neviditelná hmota a vynášela na světlo materiál, který dnes nazýváme temnou hmotou.

V posledních letech se vědcům také podařilo zachytit další důsledek Einsteinovy relativity – gravitační vlny emitované při rotaci hmotných objektů jako neutronové hvězdy a černé díry kolem sebe. Od roku 2017 otevřela Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nové okno do vesmíru detekcí mimořádně slabého signálu takových událostí.

Zdroj: Livescience