První známky samointeragující temné hmoty?

Snímek v úvodu: Snímek, který pořídil kosmický dalekohled HST (NASA/ESA Hubble Space Telescope) zachycuje bohatou kupu galaxií Abell 3827. Podivné namodralé struktury obklopující centrální galaxii představují mnohem vzdálenější galaxii zobrazenou díky efektu gravitační čočky. Pozorování centrální čtveřice galaxií poskytla vědcům údaje, podle kterých by se temná hmota kolem jedné z galaxií nemusela pohybovat společně s ní, což by mohlo naznačovat, že zde dochází k interakci prostřednictvím neznámé fyzikální povahy.

Temná hmota možná vůbec není tak temná

Astronomům se poprvé podařilo pozorovat možnou vzájemnou interakci temné hmoty jiným způsobem než prostřednictvím gravitace. Pozorování kolidujících galaxií provedená pomocí dalekohledu ESO/VLT a kosmického teleskopu HST (NASA/ESA Hubble Space Telescope) odhalila první nadějné známky vypovídající o povaze tajemné složky vesmíru.

S pomocí přístroj MUSE na dalekohledu ESO/VLT (Chile) a kosmického teleskopu HST astronomové zkoumali kolizi čtveřice galaxií v kupě Abell 3827. To jim umožnilo zmapovat rozložení hmoty v tomto systému a porovnat výskyt temné hmoty s pozicemi viditelných galaxií.

Ačkoliv temnou hmotu nemůžeme vidět, podařilo se vědcům určit její polohu pomocí efektu gravitační čočky (gravitational lensing) – na základě jejího gravitačního působení na světlo přicházející ze vzdálenějších galaxií. Ke kolizi čtveřice galaxií dochází z našeho pohledu přímo před pátou galaxií ležící v pozadí, jejíž světlo tak muselo projít místem střetu před tím, než dolétlo k nám. Hmota kupy výrazně pokřivila časoprostor a změnila tak dráhu paprsků světla přicházejících ze vzdálené galaxie. 

V současnosti se domníváme, že všechny galaxie se nacházejí v místě s vyšší koncentrací temné hmoty. Bez působení gravitace temné hmoty by se galaxie, jako je ta naše, rozpadly v důsledku rychlé rotace. Aby k tomu nedošlo, musí 27% látky ve vesmíru existovat v podobě neviditelné temné hmoty, jejíž skutečná povaha zůstává záhadou. [1]

V rámci tohoto výzkumu vědci pozorovali čtveřici kolidujících galaxií a objevili, že jeden shluk temné hmoty se jakoby opožďuje za galaxií, kterou původně obklopoval. Nachází se v současnosti ve vzdálenosti 5 000 světelných let za svou galaxií (tedy 50 000 bilionů kilometrů, což je vzdálenost, kterou by kosmická sonda Voyager urazila za 90 milionů let). 

Zpoždění pohybu temné hmoty a s ní spojené galaxie během kolizí bylo předpovězeno v případě, že temná hmota interaguje, třeba velmi slabě, rovněž sama se sebou a to prostřednictvím jiných sil než gravitace [2]. Interakce temné hmoty jiným než gravitačním způsobem nebyla dosud nikdy pozorována.  

Hlavní autor článku Richard Massey (Durham University) vysvětluje: “Dříve jsme si mysleli, že temná hmota pouze leží kolem a stará se jen sama o sebe, s výjimkou gravitační síly. Ale pokud skutečně došlo ke zpomalení jejího pohybu během kolize galaxií, mohlo by se jednat o první důkaz, že v oblasti fyziky temné hmoty – neviditelné části vesmíru – nás čeká řada zajímavých objevů.“

Vědci poznamenávají, že bude potřeba provést podrobnější výzkum dalších efektů, které by mohly způsobit pozorované zpoždění, pořídit pozorování většího množství kolidujících galaxií a vytvořit počítačové simulace těchto kolizí.

Členka týmu Liliya Williams z University of Minnesota říká: „To, že temná hmota existuje, víme díky tomu, jakým způsobem interaguje prostřednictvím gravitace, čímž pomáhá utvářet celý vesmír. Stále však víme povážlivě málo o tom, co to vlastně je. Naše pozorování naznačují, že temná hmota by mohla působit i jinými silami než gravitací, což znamená, že bychom mohli vyloučit některé ze stávajících teorií vysvětlujících její povahu.“

Publikované výsledky navazují na nedávno zveřejněnou práci týmu, který pozoroval 72 kolizí mezi kupami galaxií [3] a dospěl k závěru, že temná hmota interaguje sama se sebou velmi slabě. Tato nová práce však bere v úvahu vlastní pohyby jednotlivých galaxií, nikoli celých kup. Vědci se domnívají, že kolize těchto čtyř galaxií mohla trvat déle, než kolize pozorované v předchozích případech, což umožnilo i slabé dodatečné síle se s časem projevit a způsobit měřitelný rozdíl.   

Uvedené dva výsledky společně poprvé kvantitativně popisují chování temné hmoty v určitých mezích (působení je silnější než…, ale slabší než…). Richard Massey k tomu dodává: „Konečně se nám podařilo temnou hmotu obklíčit – zpřesnit naše vědomosti ze dvou stran.“

Zdroj

Poznámky

[1] Astronomové objevili, že celkový obsah hmoty a energie ve vesmíru je rozdělen mezi různé složky následujícím způsobem: 68% temná energie, 27 % temná hmota, 5% běžná hmota. Celkem 85% hmoty/energie ve vesmíru tvoří složky, jejichž fyzikální povaha je neznámá.

[2] Počítačové simulace ukazují, že dodatečná brzdná síla způsobená kolizí by mohla temnou hmotu zpomalovat. Fyzikální povaha této síly je však neznámá, mohla by být způsobena jak dobře známými efekty tak nějakou neznámou silou. Jediné, co je v tomto okamžiku možné říci, že se nejedná o gravitační působení.

[3] Kupy galaxií mohou obsahovat i tisíce jednotlivých galaxií.

[4] Hlavní nejistota těchto výsledků spočívá v časovém měřítku kolize: brzdná síla, který způsobuje zpomalení temné hmoty, by při dlouhodobém působení (miliard let) mohla být velmi slabá a nebo naopak poměrně silná v případě, že působí v řádu pouhých 100 milionů let.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku “The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827”, který byl zveřejněn 15. dubna 2015 ve vědeckém časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

 
Složení týmu: R. Massey (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, UK), L. Williams (School of Physics & Astronomy, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA), R. Smit (Institute for Computational Cosmology, UK), M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, UK), T. D. Kitching (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Dorking, Surrey, UK), D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Observatoire de Sauverny, Versoix, Švýcarsko), H. Israel (Institute for Computational Cosmology, UK), M. Jauzac (Institute for Computational Cosmology, UK; Astrophysics and Cosmology Research Unit, School of Mathematical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Durban, Jižní Afrika), D. Clowe (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), A. Edge (Department of Physics, Durham University, Durham, UK), M. Hilton (Astrophysics and Cosmology Research Unit, Jižní Afrika), E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Marseille, Francie), A. Leonard (University College London, London, UK), J. Liesenborgs (Hasselt University, Diepenbeek, Belgie), J. Merten (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA; California Institute of Technology, Pasadena, California, USA), I. Mohammed (Physik-Institüt, University of Zürich, Zürich, Švýcarsko), D. Nagai (Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut, USA), J. Richard (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, Francie), A. Robertson (Institute for Computational Cosmology, UK), P. Saha (Physik-Institüt, Switzerland), R. Santana (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), J. Stott (Department of Physics, Durham, UK) a E. Tittley (Royal Observatory, Edinburgh, UK).

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a hostící stát Chile. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a také dva další přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem na světě, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Paranalu v oblasti Cero Armazones staví ESO nový dalekohled E-ELT (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope), který se stane „největším okem hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• Odborný článek
• Snímky dalekohledu VLT

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Richard Massey; Institute for Computational Cosmology; Durham University, United Kingdom; Tel.: +44 (0) 7740 648080; Email: r.j.massey@durham.ac.uk

Richard Hook; ESO, Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org

Connect with ESO on social media