Úvodní strana  >  Články  >  Vzdálený vesmír  >  Výzkumy v AsÚ AV ČR (136): Testování teorií gravitace v raných galaxiích

Výzkumy v AsÚ AV ČR (136): Testování teorií gravitace v raných galaxiích

Galaxie NGC 3377 byla jednou z vyšetřovaných ve studii. Tento snímek z Hubbleova kosmického dalekohledu sice neukazuje kvůli volbě expozice příliš detailů z galaxie samotné, ale jasné body galaxii obklopující jsou kulovými hvězdokupami, jejichž studium přináší informaci o gravitačním poli na okrajích galaxie.
Autor: HST

Chtělo by se říci, že dění v celém vesmíru řídí všeobjímající gravitace. To je jistě pravda. Některá pozorování však přinášejí nezvratné důkazy, že pouhé gravitační působení látky, kterou vidíme, některé vlastnosti pozorovaného vesmíru nevysvětlují správně. Odborníci se rozdělili do dvou nestejně zastoupených proudů – jedni předpokládají, že nesoulad lze vysvětlit dodáním hmoty, která není vidět, druzí říkají, že je třeba změnit zákon gravitace.

Zákon všeobecné gravitace odvodil v druhé polovině 17. století Isaac Newton a v podstatě až do přelomu 19. a 20. století sloužil při popisu kosmického dění na škálách, které v té době přicházely v úvahu, velmi dobře. Byl více než dostačující pro popis pohybů planet, takže dokonce planeta Neptun byla objevena v roce 1846 na základě výpočtů gravitačních poruch na dráhy známých planet. Výjimku tvořila planeta Merkur, jejíž perihélium se stáčelo jinak, než Newtonova teorie předpovídala. Problém byl vyřešen Albertem Einsteinem s publikací obecné teorie relativity, pro niž je Newtonův gravitační zákon speciálním případem. 

Ale ani obecná teorie relativity nevysvětlila vše. Už ve třicátých letech 20. století Fritz Zwicky oznámil, že dynamika galaxií ve Vlasech Bereniky neodpovídá gravitačnímu popisu, pohyby svědčily o tom, že je zde více látky, než je vidět. Přišel tedy s myšlenkou „temné hmoty“, která potřebné gravitační působení dodávala, aniž by ji mohl někdo pozorovat. K podobným závěrům lze dojít při studiu rotačních křivek spirálních galaxií. 

V 80. letech 20. století Mordehai Milgrom přišel s myšlenkou, že problém chybějící hmoty stejně dobře řeší změna gravitačního zákona. Gravitace by podle této myšlenky byla více efektivní v režimu slabých zrychlení, tedy právě v režimu vzdálených částí galaxií nebo galaktických kup. Potom by nebylo zapotřebí doplňovat velké množství temné hmoty s exotickým původem. Postačilo by přidat menší množství neviditelné látky s vlastnostmi hmoty baryonické, tedy té běžné. Vznikla modifikovaná newtonovská dynamika – MOND. 

Oba přístupy k problému mají své výhody a nevýhody a o jejich správnosti lze rozhodnout jen na základě testování, srovnáním s pozorováním. Přesně touto cestou šel tým vedený Michalem Bílem z ASU, který si jako cíl testování vzal do té doby opomíjené galaxie raných typů, neboť převážná většina minulých prací se soustředila na galaxie spíše pozdních typů. Mezi tzv. rané typy galaxií patří ty, u nichž se nevyvinula spirální ramena a neobsahují podstatné množství plynu nebo mladých hvězd; souhrnně se tedy jedná především o galaxie eliptické nebo čočkové. Důvodem je to, že vyšetřování gravitačního pole u raných galaxií je komplikovanější než u pozdních. Většina viditelných objektů, např. hala kulových hvězdokup, se totiž nachází na výrazně menších galaktocentrických vzdálenostech v případě raných typů. Což znamená, že předpokládané odchylky od newtonovské gravitace bez temné hmoty jsou malé a gravitační teorie se tu tak špatně testují. 

Ve studii autoři vyšetřovali sedmnáct blízkých galaxií raného typu. Z dostupných pozorovacích přehlídek vybírali jen ty zástupce, u nichž u každé identifikovali alespoň sto kulových hvězdokup, které sloužily jako testovací částice pro odhad gravitačního pole. Tento vzorek byl doplněn trojicí „umělých“ galaxií, vybraných z kosmologické simulace. Kontrolní vzorek sloužil přirozeně pro kontrolu metodiky. 

Pro každou galaxii ve vzorku včetně těch umělých autoři provedli fit volných parametrů jednak gravitace s temnou hmotou a jednak MOND. Volné parametry jsou v případě gravitace s temnou hmotou čtyři – vzdálenost galaxie od pozorovatele, poměr hmotnost/svítivost, poměr hmotnosti hvězdné složky a hala s temnou hmotou a koncentrace hala. MOND pracuje jen s prvními dvěma parametry.

Z výsledků vyplývá, že klasická kosmologická teorie s chladnou temnou hmotnou dokáže velmi dobře popsat libovolnou galaxii ze vzorku s vysokým stupněm věrohodnosti. MOND také, ale ve dvou případech by bylo nutné označit fit za nevěrohodný. Chtělo by se tedy říci, že kosmologie s temnou hmotou je lepším popisem. Je třeba ale mít na paměti, že tento model má hned čtyři volné parametry, zatímco MOND pouze dva. Flexibilita fitu je tedy v prvním případě zjevná. Autoři dokonce zvážili statistické argumenty a dospěli k názoru, že věrohodnost fitů kosmologie s temnou hmotou je až příliš vysoká, neodpovídající očekávání. To lze interpretovat tak, že tyto modely jsou natolik ohebné, že poskytnou dobrý fit pro téměř libovolné gravitační pole a jejich věrohodnost je pouze zdánlivá. Špatný fit MONDu u dvou galaxií má dvě možná vysvětlení. Buď je v centru kupy i tak přítomna temná hmota, s níž fitovaný MOND nepočítá. A nebo může docházet ke vzájemnému gravitačnímu ovlivňování těchto galaxií, které se nacházejí v hustých centrech galaktických kup. Kulové hvězdokupy použité jako indikátory gravitačního pole, jsou tak vyváděny z rovnováhy, čímž se narušují předpoklady modelu.

Z obou modelů lze pro známé hodnoty parametrů vypočítat disperzi rychlostí kulových hvězdokup a tuto předpověď opět porovnat s pozorováním. Z tohoto porovnání pak vychází výrazně lépe MOND. To opět poukazuje na ohebnost standardního kosmologického modelu s nebaryonickou temnou hmotou. 

Podtrženo-sečteno, kdyby se porovnávaly jednotlivé galaxie a srovnání pojalo jako souboj, standardní kosmologie s temnou hmotou by nad MONDem zvítězila 9:8. Nedá se tedy říci, že pro MOND by šlo o drtivou porážku, to spíše pro standardní kosmologii s temnou hmotou, za níž stojí drtivá většina odborníků, jde o ušmudlané vítězství. Celkově vzato je to stále nerozhodně a ani tento test nepřinesl finální odpověď. 

REFERENCE

M. Bílek a kol., Study of gravitational fields and globular cluster systems of early-type galaxies, Astronomy&Astrophysics v  tisku , preprint arXiv:1903.05659

KONTAKTY

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.



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: Gravitace, Kosmologie, MOND, Astronomický ústav AV ČR


16. vesmírný týden 2019

16. vesmírný týden 2019

Přehled událostí na obloze od 15. 4. do 21. 4. 2019. Měsíc bude v úplňku. Večer je vidět Mars, ráno Jupiter a Saturn. Slunce stále zdobí větší skvrna. Astronomové publikovali první snímek černé díry, který zároveň potvrzuje teorii. Izraelská sonda Beresheet sice nezvládla přistání, ale úspěch podnítil plány na misi nové sondy. Falcon Heavy vykonal perfektní první komerční start. ESA přiblížila možnosti dalšího postupu krtka sondy InSight. Před pěti roky skončila dopadem na Měsíc mise sondy LADEE.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

M 45

Titul Česká astrofotografie měsíce za březen 2019 obdržel snímek „M 45“, jehož autorem je Pavel Uhrin   Subaru … nu nejsme sice nyní v automobilovém průmyslu, ale japonské Subaru opravdu představuje šest hvězdiček, které se dostaly do loga známé automobilky. Ovšem i japonský

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Úplněk

Další informace »