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

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.