Výzkumy v ASU AV ČR (117): MOND vysvětluje některé neobvyklé vlastnosti místní skupiny galaxií

K popisu pohybů těles ve vesmíru používají vědci teorie vystihující vzájemné gravitační působení těchto těles. Ve Sluneční soustavě si pro základní pohybové jevy vystačí s klasickou newtonovskou dynamikou. Na větších škálách se již projevují efekty vyššího řádu, které se nejčastěji popisují pomocí obecné teorie relativity. Také současná kosmologie je postavena na pilířích obecné teorie relativity, přičemž pro správný výklad pozorovaného chování vesmíru staví na existenci dvou doposud vágně prozkoumaných substancí – temné hmoty, která se projevuje pouze gravitačně, a temné energie, která je odpovědná za zrychlené rozpínání vesmíru. 

O přítomnosti temné hmoty svědčí především rotační křivky spirálních galaxií, v nichž zdánlivě chybí látka v okrajových částech, a také pohyby galaxií v rámci kup. Toto pozorované chování lze alternativně vysvětlit s pomocí teorií gravitace označovaných jako MOND, tedy MOdifikovaných Newtonovských Dynamik. Ty vycházejí z předpokladu, že Newtonův gravitační zákon potřebuje úpravu pro velmi slabá gravitační pole, podobně jako jej potřebujeme nahradit pro velmi silná gravitační pole obecnou teorií relativity. V režimu silných polí (např. ve Sluneční soustavě) se MOND shoduje s klasickou newtonovskou gravitací, zatímco v režimu malých zrychlení (např. na kraji galaxií nebo v galaktických kupách) je gravitační působení efektivně větší – tedy například pro vysvětlení plochých rotačních křivek není třeba přidávat neviditelnou látku. 

Kosmologické simulace prováděné v posledních letech přinášejí určité předpovědi o struktuře vesmíru a vesmírných objektů. Některé z pozorovaných vlastností jsou však s těmito předpověďmi v rozporu. Mezi ta rozporuplná pozorování patří i rozložení trpasličích satelitních galaxií v okolí Mléčné dráhy, které vytvářejí jakýsi v jednom smyslu rotující disk, kolmý na vlastní disk Mléčné dráhy. Podle standardního kosmologického modelu je mizivá pravděpodobnost, že by se taková satelitní rovina zformovala náhodně. Podobný skloněný souhlasně rotující disk satelitů je pozorován i v okolí blízké galaxie M31. 

Michal Bílek v široké mezinárodní spolupráci studoval, zda by tyto dvě okolnosti spolu nemohly souviset. Ze simulací je totiž známo, že trpasličí galaxie se mohou zformovat z materiálu vytrženého z interagujících galaxií slapovými silami. To by ale muselo znamenat, že Mléčná dráha a M31 v minulosti prošly blízkým přiblížením, což výpočty založené na klasické kosmologii vylučují. Hrubé odhady provedené v minulosti jinými autory však naznačovaly, že v rámci MOND by takové přiblížení mohlo být možné. M. Bílek tedy vůbec poprvé vytvořil a spustil vícečásticovou numerickou simulaci interagujících galaxií typu Mléčná dráha a M31, v níž jednotlivé částice v pohybu řídí MOND. 

Autoři simulaci nastavili tak, aby v čase odpovídajícím současnosti získali dvě galaxie hmotnostmi, polohami a orientacemi disků a vzájemnými rychlostmi zhruba odpovídající pozorované konfiguraci Mléčné dráhy a M31. Ostatní parametry nebyly laděny s cílem co nejlépe popsat současnou situaci. 

Vývojová simulace skutečně ukázala, že v MOND skutečně došlo k blízkému přiblížení velkých galaxií, aniž by obě galaxie splynuly. To je možné jen proto, že v modelu s MOND mají galaxie nižší tendenci splývat než ve standardní gravitaci s temnou hmotou (je nižší tzv. dynamické tření). K  přiblížení podle simulace došlo před 7,4 miliardami let. Pro zajímavost: k dalšímu těsnému průletu by mělo dojít za 3,1 miliardy let, zatímco klasické simulace očekávají, že k témuž dojde za 3,9 miliardy let s finálním splynutím za 5,9 miliardy let. Během přiblížení v minulosti vznikly kolem galaxií rozsáhlé slapové ohony (viz obrázek). Při průletu bylo dokonce více než 3 % hmotnosti Mléčné dráhy přeneseno do M31. Slapové struktury vzniklé v simulaci kolem Mléčné dráhy i M31 pak nápadně připomínají budoucí disky satelitních galaxií. Těsný průlet také zvlnil disk Mléčné dráhy, což je další pozorovací fakt. Soulad s předpovězeným a pozorovaným zvlněním je velmi dobrý. 

Autoři podotýkají, že jejich model zdaleka nevysvětluje všechny pozorované vlastnosti satelitních disků v okolí obou velkých galaxií. Podotýkají však, že jde o vůbec první simulaci tohoto typu a že si dovolili zanedbat mnoho efektů. Například v simulaci neuvažovali přítomnost částic plynu, přestože obě velké galaxie patří ke spirálnímu typu, v nichž je plyn velmi běžný. 

Práce ukazuje, že občas je zapotřebí vykročit ze zažitých postupů a počínat si neortodoxně. Práce není důkazem pro platnost MOND, pouze podotýká, že použitím MOND ve věci trpasličích souputníků Galaxie lze získat popis reality elegantněji. Jen lepší výpočty ať už založené na tradičním kosmologickém modelu s temnou hmotou nebo na alternativních teoriích gravitace mohou přispět k vysvětlení pozorovaného chování a tím i podpořit jednu ze stran.  

REFERENCE

Bílek, M. a kol., MOND simulation suggests an origin for some peculiarities in the Local Group, Astronomy&Astrophysics 614 (2018) A59, preprint arXiv:1712.04938

KONTAKT

Mgr. Michal Bílek, Ph. D. 
michal.bilek@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

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

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