Výzkumy v ASU AV ČR (239): Záhada opticky tmavých oblaků neutrálního vodíku v kupě galaxií ve Lvovi

Skupina galaxií Lev I (Leo I) nacházející se ve vzdálenosti 11 megaparseků od Země je přímo známa výskytem plynných útvarů, které nemají své optické protějšky. Tyto útvary se označují terminologicky jako „tmavá mračna neutrálního vodíku“. Jejich společným jmenovatelem je, že je obvykle nelze jednoznačně a snadno ztotožnit s útvarem vyzařujícím v optické oblasti spektra, odborníci jsou tak odkázáni na rádiová pozorování. 

S kupou Lev I, jejímiž hlavními složkami jsou amatérsky pozorovatelné galaxie M 95 a M 96, je v katalozích spojováno osm pozorovatelných galaxií. V rádiovém oboru je ovšem významnou složkou obří Lví prsten (Leo Ring), téměř kruhová struktura neutrálního vodíku, která značnou část kupy při pohledu ze Země obepíná. Jednotlivé rádiově jasnější segmenty prstenu nemají své optické protějšky a celá existence této struktury a důvody jejího vzniku jsou v současnosti nejasné. Jednou z možností je důsledek dávné srážky galaxií, podezřelými jsou konkrétně M 96 a NGC 3384. 

Podivné útvary neutrálního vodíku zaznamenané v rádiových mapách jsou dlouhodobým předmětem zájmu Rhyse Taylora z ASU. Není proto překvapivé, že se společně s kolegy pustil do detailního průzkumu rádiových pozorování této zajímavé oblasti na nebi, která byla pořízena dnes již nefunkčním radioteleskopem Arecibo. Tento přístroj se po mnoho let věnoval systematické přehlídce AGES (Arecibo Galaxy Environment Survey), v jejímž rámci se mezi roky 2012 a 2019 vždy po několik měsíců v roce věnoval i mapování oblasti kupy Leo I. Výsledkem přehlídky jsou trojrozměrné datové kostky intenzity rádiového záření, které se skládají ze dvou prostorových rozměrů odpovídajících pozici na obloze a jednoho rozměru odpovídajícího radiální složce rychlosti. 

V těchto kostkách s pomocí kódu FRELLED (o němž jsme zde již také psali) vyhledávali kompaktní struktury. Práce s programem je interaktivní, což spojuje výhody jak zcela automatického zpracování, tak čistě ručního prohledávání. V oblasti objevili šest nových dosud nepopsaných oblaků neutrálního vodíku navíc k devětadvaceti již známým. Autoři také vynaložili velkou snahu najít k nově objeveným oblakům optické protějšky v přehlídkových projektech, přičemž možného protějška nalezli jen pro jeden z oblaků. Oblak číslo 4 se nachází podezřele blízko malé galaxie LeG 13, kde je souvislost s oblakem č. 4 vysoce pravděpodobná. V ostatních případech ovšem optická pozorování neprokázala nic. 

Objev objektů však R. Taylorovi a kolegům nestačil, přirozeně je zajímal jejich možný původ. Je totiž přinejmenším zvláštní, že i když jsou odhadnuté hmotnosti všech oblaků srovnatelné, jen v případě čísla 4 byl nalezen optický protějšek. V principu přicházejí v úvahu dvě hypotézy: jednak by mohlo jít o slapově odtržený plyn vzniklý při interakcích galaxií, nebo by se mohlo jednat o primordiální oblaky zřejmě spojené s existencí temné hmoty. Odhadnuté hmotnosti oblaků totiž prakticky vylučují, aby mohly být gravitačně vázány pouze objeveným neutrálním vodíkem. Z rozptylu změřených rychlostí je možné odhadnout, za jak dlouho by se měl oblak rozptýlit do prostoru, což umožňuje velmi hrubě omezit maximální věk tohoto objektu. Získaná hodnota 250 milionů let poukazuje, že tyto útvary musí být spíše mladší, pokud jde o útvary z běžné baryonické hmoty. 

Z rozdělení hmotností lze odhadnout i tzv. dynamickou hmotnost, která činí přinejmenším jednu miliardu hmotností Slunce pro každý oblak. Hmotnost neutrálního vodíku je však o dva řády menší. Pokud by byly tyto oblaky gravitačně stabilizovány, musely by být extrémně dominovány výskytem temné hmoty. 

Oblaky č. 2, 3 a 4 se nacházejí na spojnici galaxií M 95 a M 96, jsou tedy nejlepšími kandidáty na produkty interakce galaxií, tyto doprovází oblak č. 1, který je jen mírně mimo spojnici, ale stále mezi galaxiemi. Problémem však je, že M 95 nevykazuje ani sebemenší známky slapového působení od okolních galaxií a M 96 je zvlněna jen mírně. Snad by tedy mohly být oblaky 1 až 4 nejjasnějšími částmi plynného proudu propojujícího tyto dvě galaxie, podobně jako táhlý proud chladného plynu propojuje galaxie M 31 a M 33 v Místní kupě. Přes veškerou snahu však autoři nenalezli pro přítomnost takového proudu žádné indicie. 

Otázkou zůstává, zda by objevené útvary nemohly souviset se Lvím prstenem. Například oblak č. 5 je Lvímu prstenu velmi blízko a jeho vlastnosti by skutečně mohly odpovídat odštěpku prstenu. Oblak č. 6 je ještě zajímavější. Jeho dynamika a vzdálenost hovoří proti myšlence, že by mohl souviset se Lvím prstenem. V blízkosti oblaku se ale nachází hned čtyři galaxie, které by potenciálně mohly být rodiči tohoto oblaku. Jejich vlastnosti však naznačují, že tyto čtyři galaxie nejspíše nejsou členy kupy, takže jejich rodičovství je nepravděpodobné. Zcela vyloučit ho ovšem nelze pro žádnou z nich. Otázka tak zůstává otevřená.

Jakkoli se tedy zdá, že šestice nově objevených oblaků by mohla být nejlépe vysvětlena hypotézou slapových odštěpků, některé z detekovaných objektů nečekaně respektují Tullyho-Fischerův zákon objevený pro jasné galaxie, což je nezvyklé. Tento empirický vztah dává do souvislosti rotační rychlosti galaxií s jejich baryonickou hmotností (tedy hmotností běžné hmoty přítomné v této galaxii) a plynné objekty se mu spíše vymykají. To však není případ oblaků ve Lvovi I.

Autoři uzavírají, že vlastnosti nově objevených oblaků neutrálního vodíku v kupě galaxií Lev I jsou konzistentní s hypotézou slapového původu. Nedá se však vyloučit, že by mohlo jít o zástupce tzv. temných galaxií, tedy gravitačně vázaných útvarů, v nichž významně převažuje temná hmota nad hmotou běžnou – baryonickou. Snad tento problém více osvětlí numerické simulace, které by studovaly vznik Lvího prstenu a které mohou případně přinést indicie o vzniku těchto malých útvarů.  

REFERENCE

R. Taylor, J. Köppen, P. Jáchym a kol., The Arecibo Galaxy Environment Survey. XII. Optically Dark H I Clouds in the Leo I Group, Astronomical Journal 164 (2022) article id 233, preprint arXiv:2209.10994

KONTAKTY

Dr. Rhys Taylor, PhD
rhysyt@gmail.com
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.