Úvodní strana  >  Články  >  Vzdálený vesmír  >  Výzkumy v ASU AV ČR (116): Opticky tmavé oblaky neutrálního vodíku

Výzkumy v ASU AV ČR (116): Opticky tmavé oblaky neutrálního vodíku

Tři různé typy chování turbulentního oblaku vodíku: rozptýlení (A), zahřátí (C) a kolaps (F). Tři horní řady panelů ukazují povrchovou hustotu vodíku v simulacích, každá řada jeden typ chování. Sloupce odpovídají časům 0, 20, 50 a 200 milionů let. Čtvrtá řada ukazuje předpovězené profily čáry 21 cm pro dané tři modely ve stejných časech tak, jak bychom ji viděli radioteleskopem v Arecibu.
Autor: Rhys Taylor

Otázka chybějících galaktických satelitů je jedním z dosud nevyřešených problémů současné kosmologie. Jde o to, že modely vývoje vesmíru předpovídají, že by mělo existovat asi desetkrát více malých (satelitních, protože často obíhají kolem těch velkých) galaxií, než je pozorováno. Možným řešením je, že některé oblaky temné hmoty (tzv. temná hala) k sobě nepřitáhly dostatek baryonové hmoty (připomeňme, že mezi baryony patří protony a neutrony; baryonovou hmotou se rozumí především hvězdy, mezihvězdný a mezigalaktický plyn, obecně většina hmoty, která není temnou hmotou nebo temnou energií), aby mohly vzniknout hvězdy, a tím i viditelné galaxie. Pak by mělo existovat velké množství tzv. temných galaxií skládajících se téměř výhradně z temné hmoty a obsahujících jen nepatrné množství baryonové hmoty. Kandidáty na tyto temné galaxie jsou např. oblaky neutrálního vodíku pozorované v kupě galaxií v souhvězdí Panny. Jako vysvětlení původu těchto oblaků vodíku byly ale kromě temných galaxií navrženy ještě další dvě hypotézy a pracovníci Oddělení galaxií a planetárních systémů se zaměřili na testování jedné z nich.

Neutrální vodík, tedy plyn skládající se ze samostatných atomů vodíku, lze ve vesmíru dobře pozorovat radioteleskopy díky tomu, že září na vlnové délce 21 cm. Během několika desítek let pozorování bylo zjištěno, že většina neutrálního vodíku se nachází v galaxiích nebo jejich bezprostřední blízkosti, kde tvoří podstatnou část mezihvězdného plynu. Teprve relativně nedávno začaly být díky velmi citlivým přehlídkám oblohy těmi největšími radioteleskopy nacházeny samostatné oblaky vodíku, které nejsou v blízkosti žádných známých galaxií. Patří k nim i šest objektů v blízké kupě galaxií v Panně, které byly nalezeny Rhysem Taylorem v datech získaných radioteleskopem Arecibo s průměrem antény 300 metrů. Tyto oblaky mají každý hmotnost okolo 107 hmotností Slunce a zajímavé jsou především vysokými vnitřními rychlostmi okolo 150-200 km/s, na které ukazuje spektrální šířka pozorované čáry 21 cm. Autoři se zaměřili na studium těchto šesti objektů.

V literatuře byly navrženy v zásadě tři hypotézy o původu těchto oblaků. První předpokládá, že se jedná o pozůstatky srážek nebo blízkých setkání galaxií, při kterých byl neutrální vodík vyvržen do mezigalaktického prostoru. Druhá hypotéza tvrdí, že se jedná o víceméně stabilní turbulentní oblaky, kdy je turbulentní tlak neutrálního vodíku v rovnováze s tlakem okolního horkého řídkého mezigalaktického plynu. Podle poslední hypotézy by pak mělo jít o temné galaxie, tedy oblaky temné hmoty s hmotností okolo 1010 hmotností Slunce, ve kterých rotují disky neutrálního vodíku, příliš řídké na to, aby tvořily hvězdy.

První hypotéza byla testována pracovníky ASU v minulosti (Taylor et al. 2016), a bylo ukázáno, že plyn vyvržený do mezigalaktického prostoru téměř nikdy nemá tak vysoké vnitřní rychlosti, jaké jsou pozorovány. Druhá hypotéza je testovaná nyní.

Autoři práce, Rhys Taylor, Richard Wünsch a Jan Palouš z ASU, provedli sérii hydrodynamických simulací modelujících 400 milionů let vývoje turbulentního oblaku s různými parametry vybranými tak, aby souhlasily s pozorovanými oblaky. Hmotnost oblaku byla tedy okolo 107 hmotností Slunce a teplota 10 000 K, což je typická teplota neutrálního vodíku ve vesmíru. Poloměr oblaků není z pozorování známý, protože i ohromná anténa radioteleskopu v Arecibu vidí celý oblak jako pouhý bod. Proto byly simulovány dva různé hraniční poloměry: malý poloměr 2 kiloparseky (kpc), protože pro menší oblaky by už byla jejich hustota tak vysoká, že by měly začít tvořit hvězdy; a velký poloměr 8 kpc, protože větší poloměr by už radioteleskop viděl jako nebodový objekt. Několik dalších parametrů pak popisovalo turbulentní rychlostní pole oblaku (tak, aby bylo v souladu s teoreticky známými vlastnostmi turbulence a pozorovanou šířkou spektrální čáry) a vlastnosti plynu (např. množství prvků těžších než vodík a helium). Celý oblak byl pak vložen do krychle o hraně 32 kpc, vyplněné plynem s teplotou 107 K a hustotou 30 atomů/m3, což jsou typické vlastnosti mezigalaktického plynu v kupě galaxií v Panně známé z pozorování v rentgenové části spektra. Výpočty probíhaly na superpočítači Salomon Národního výpočetního centra IT4I v Ostravě, a 11 provedených simulací a nezbytné testy spotřebovaly celkem necelých půl milionu jádro-hodin.

Z výsledků numerických simulací zkonstruovali autoři předpovědi profilů spektrální čáry neutrálního vodíku a porovnávali je s reálnými pozorováními včetně odhadu, za jakých podmínek je z pozorování vůbec možné odlišit přítomnost tohoto oblaku od běžného pozadí. Hlavním výsledkem práce je, že v navrženém systému nelze dosáhnout stabilního stavu. V závislosti na počátečních podmínkách začne poměrně rychle oblak buď kolabovat a tvořit hvězdy, nebo se rychle rozprostře do okolí, nebo se prudce ohřeje a vodík se ionizuje. Zatímco původní autoři hypotézy předpokládali na základě zjednodušených analytických odhadů, že vnitřní turbulence oblak proti vlivům vnějšího prostředí stabilizuje, detailní numerické simulace pracovníků ASU ukazují pravý opak. Ve stavu, který odpovídá pozorovaným oblakům, vydrží podle simulací takový objekt maximálně 100 milionů let, tedy příliš krátce na to, abychom v dané kupě galaxií mohly pozorovat tolik izolovaných oblaků s těmito vlastnostmi. Po této době nebo dříve rychlosti vnitřních pohybů v oblaku výrazně klesnou (a tím se zmenší šířka spektrální čáry), nebo se oblak stane pro anténu v Arecibu nerozlišitelným od pozadí.

Výsledky této práce tedy ukazují, že hypotéza turbulentních oblaků v rovnováze s okolím pravděpodobně neodpovídá realitě. Ze tří navržených hypotéz je tedy v současnosti nejnadějnější ta poslední, která předpokládá, že se jedná o temné galaxie. To je podporováno i nedávnými objevy tzv. ultra-difuzních galaxií, které se skládají jen z malého množství hvězd (108 - 109 hmotností Slunce) a několika tisíckrát většího množství temné hmoty. Je možné, že oblaky neutrálního plynu v kupě galaxií v Panně jsou ještě extrémnější objekty, které netvořily hvězdy prakticky vůbec. Autoři z ASU se zaměří na testování hypotézy temných galaxií v budoucích pracích. K tomu pomůže i to, že se jim podařilo získat pozorovací čas na interferometru Karl G. Jansky Very Large Array v Novém Mexiku v USA, který by mohl oblaky rozlišit jako nebodové útvary.

REFERENCE

Taylor, R., Wünsch, R., Palouš, J. Simulating the evolution of optically dark HI clouds in the Virgo cluster: will no-one rid me of this turbulent sphere? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society v tisku, preprint arXiv:1805.03414

KONTAKTY

Dr. Rhys W. Taylor, Ph. D., rhysyt@gmail.com
Mgr. Richard Wünsch, Ph.D., richard@wunsch.cz
prof. RNDr. Jan Palouš, DrSc., palous@ig.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.



O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

Štítky: Temné galaxie, Neutrální vodík, Astronomický ústav AV ČR


29. vesmírný týden 2018

29. vesmírný týden 2018

Přehled událostí na obloze od 16. 7. do 22. 7. 2018. Měsíc bude v první čtvrti. Večer nám obloha nabízí postupně Venuši, Jupiter, Saturn a Mars. Ráno je vidět také Neptun a Uran. K vidění je také dvojice trochu jasnějších komet. Rušno bylo u ISS, kde se vystřídal Cygnus s Progressem. Čína je rekordmanem v počtu letošních startů. Z Floridy má startovat Falcon 9. Před 45 lety odstartovala k Marsu sovětská sonda Mars 4.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

NGC4725

Titul Česká astrofotografie měsíce za červen 2018 obdržel snímek „NGC 4725“, jehož autorem je Dušan Šulc   NGC 4725. Popravdě, co takový název komu z nezasvěcených řekne … Asi mnoho ne. Ovšem astronomové, zejména ti noční, si po vyslovení tohoto názvu začnou libovat. A možná

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Noc v Horách

Tahle fotka vznikala dost zajímavě. Nemohl jsem najít žádnou kompozici, a nebylo moc času kvůli měsící co vycházel relativně brzo. Nakonec mě napadlo tohle panorama. Začal jsem oblohou, (6 snímků na Star Adventurer montáži asi 3 metry pod vrcholem který blokoval poryvy větru). Po nafocení oblohy jsem vylezl na nejvyšší bod, sundal montáž, nasadil kulovou hlavu a začal hledat správně popředí. Našel jsem toto - viz. fotka - a začal snímat. Bohužel jsem úplně zapomněl na měsíc, a ten vylezl nad skalní útvary kus ode mě krásně akorát na předposlední fotku popředí (7 fotek) Nezbývalo nic jiného než začít znova s měsíčním světlem. Když se na to dívám s časovým odstupem, ani mi to měsíční světlo tak nevadí - alespoň se zvýraznila skála uprostřed fotky, na které se marně se svou čelovkou a bundou černou jak noc snažím vyniknout. Při focení popředí byla již mléčná dráha posunutá asi o vzdálenost osvětlené části prostředního kamene, nicméně oblohu jsem se spodkem srovnal podle siluet hor na panorama s montáží. Výšlap to byl docela těžký, i pár divokých prasat s krávami jsem potkal, takže jsem opravdu rád že něco vyšlo. Původně jsem myslel že tu i přespím, nicméně byla taková zima, že jsem se po hodině snahy usnout rozhodl vstát a jít zpátky dolů. (ne, neměl jsem spacák :) ).

Další informace »