V otázkách týkajících se povahy a vlastností temné hmoty se astronomové dosud zabývalijsou v počáteční fázi
Teorie o existenci této látky bylapředložený před více než 40 lety jako vysvětlení nesouladu mezi hmotností všech viditelných objektů v galaxii a hmotností samotné galaxie. Astronomka Vera Rubinová, která jako první objevila tento rozpor, zjistila, že tato neviditelná látka je extrémně běžná a tvoří většinu vesmíru. Dnes tuto látku známe jako temnou hmotu.
Věra Rubinová. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Ačkoli astronomové mají nejméně třidůkaz, že temná hmota existuje, žádný z pokusů o zjištění přímého důkazu její existence a stanovení jejích vlastností nebyl úspěšný.
Nicméně, práce vědců z Yale University v USA. \ TVedení Peter van Dokkum, publikované v časopise Nature v březnu 2018, vědci více než kdy jindy přivedli vědce blíže k nalezení dalšího důkazu o existenci této látky.
Co astronomové vědí o temné hmotě?
Temná hmota je látka, která neníinteraguje s jinými záležitostmi pomocí elektromagnetických (EM) nebo silných jaderných sil. Absence elektromagnetických interakcí znamená, že nemůže emitovat, absorbovat, odrážet, refrakovat nebo difuzní světlo. To, samozřejmě, dělá to poměrně komplikovaný předmět pro pozorování. Přibližně 85% veškeré hmoty ve vesmíru je však temná hmota.
Vědci zatím nemají žádný praktický důkaz, že temná hmota skutečně existuje, ale existuje teoretická. Zde jsou tři hlavní.
Galaktické rotační křivky
Když se jeden objekt otáčí kolem druhého,objekt na oběžné dráze musí být neustále zrychlován na centrální (přesněji řečeno, oba zrychlují na své kombinované těžiště). Bez tohoto zrychlení bude orbitální tělo prostě odletět.
Čím rychleji se těleso pohybuje, tímpro udržení na oběžné dráze je zapotřebí více zrychlení. Protože v tomto případě je zrychlení způsobeno gravitací, znamená to, že centrální hmota musí být větší.
Tato znalost umožňuje vědcům „vážit“ jinéČásti galaxie, stejně jako rychlost rotace, porovnávají červené posuny na blížících se a ustupujících stranách galaxie. Při vážení astronomové vidí nesoulad mezi hmotností všech objektů v galaxii a její celkovou hmotností.
Redshift— posun spektrálních čar chemických prvkůna červenou (dlouhovlnnou) stranu. Tento jev může být výrazem slabého difúzního rozptylu, Dopplerova jevu nebo gravitačního červeného posuvu nebo jejich kombinací. Posun spektrálních čar ve spektrech nebeských těles poprvé popsal francouzský fyzik Hippolyte Fizeau v roce 1848 a pro vysvětlení posunu navrhl Dopplerův jev způsobený radiální rychlostí hvězdy.
Gravitační čočky
Podle obecné teorie relativity, nějakádoba, kterou prochází gravitačním polem, je mírně zkreslená. Působí jako gravitační čočka a může produkovat například „Einsteinovy prstence“, jak je vidět na obrázku níže.
Einsteinova obecná teorie relativitygravitace takových velkých prostorových objektů, jak galaxie ohýbají prostor kolem ní a odklánějí paprsky světla. Když k tomu dojde, zkreslený obraz jiné galaxie - zdroje světla.
„Einsteinův prsten“ na obrázku nahoře jezkreslený obraz jedné galaxie (je zvýrazněn modře), umístěný za druhou (červenou) galaxií ve středu. Světlo z modré se šíří ve všech směrech, ale je ohnuté gravitací červené galaxie. To znamená, že světlo, které bylo například původně nasměrováno přímo na Zemi, se nikdy nedostane na naši planetu - na rozdíl od světla, které mělo jiný směr, ale bylo zkresleno čočkou a postupovalo jako by ze všech směrů najednou. Tento proces vysvětluje vzhled prstence.
Ve slabých gravitačních čočkách statistickyAnalýza zkreslení světla, které přijímáme, nám umožňuje „všimnout si“ gravitačního pole mezi Zemí a vzdálenými galaxiemi. V této oblasti je často více hmoty – a tedy více hmoty –, než vědci dokážou vysvětlit.
Příkladem gravitační čočky, která z pohledu dosavadní teorie dokazuje přítomnost temné hmoty, je fotografie kupy galaxií Bullet, nacházející se v souhvězdí Carina.
Obrázek ukazuje následky srážky dvou galaxií. Červená na obrázku ukazuje oblasti viditelné hmoty, modrá ukazuje temnou hmotu, jejíž přítomnost je určena gravitační čočkou.
Toto rozlišení je způsobeno tím, žeVětšina světelných látek ve shluku galaxií je v intraklusterovém médiu - v horké, husté plazmě. Když se části plazmy srazí mezi sebou, významné množství látky se zpomalí a zůstane ve středu. Temná hmota však slabě spolupůsobí s hmotou, takže její složky ze dvou klastrů mohou volně procházet navzájem - to vede k oddělení uvedenému na fotografii.
Reliktické záření
Během prvních několika set tisíc let potéPři velkém třesku byl vesmír dostatečně horký, aby se stal vysoce ionizovaným. To jej dočasně učinilo téměř neprůhledným pro světlo – fotony rotovaly jako každá jiná částice. Když se však věci dostatečně ochladily, významné množství protonů a elektronů se spojilo a vytvořilo neutrální vodík, který se stal dostatečně průhledným pro většinu světla, které jej obklopuje. Tento proces proběhl poměrně rychle (z hlediska kosmologického času) - v důsledku toho bylo všechno světlo obsažené ve vesmíru, relativně vzato, náhle uvolněno a pořídilo snímek v této fázi jeho vývoje. Toto je zjednodušený způsob popisu kosmického mikrovlnného záření pozadí.
Vědci mohou toto světlo detekovatbodové radioteleskopy v libovolném směru a v závislosti na pozorované oblasti se teplota mírně změní. Rozdíl teplot se vysvětluje přítomností nebo nepřítomností temné hmoty v této oblasti.
Co je v první galaxii neobvyklé?
DF2 je galaxie, která je součástí velké skupinyv čele s masivní eliptickou galaxií NGC 1052. Galaxie upoutala pozornost vědců, protože na fotografiích pořízených Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS) vypadala jinak. V prvním se galaxie jevila jako skvrna slabého světla, zatímco ve druhém to byla skupina bodových objektů.
Na základě těchto pozorování vědci vedli oPeter van Dokkum identifikoval deset kulových hvězdokup (velké skupiny starých hvězd) uvnitř galaxie a zjistil, že se pohybují třikrát pomaleji, než kdyby tam bylo hodně temné hmoty. Faktem je, že pokud by hmotnost galaxie byla větší než hmotnost viditelných objektů, kupy by rotovaly rychleji.
Vědecká obec zhodnotila publikaci kriticky— chybou vědců bylo, že pozorovali pouze deset shluků a pouze dvě noci. Skeptici se domnívali, že vědci možná přehlédli klíčové detaily o pohybu hvězdokup, což mělo za následek zkreslení jejich odhadů hmotnosti galaxie a viditelné hmoty.
A ve druhém?
Jediný způsob, jak dokázat jejich správnostPozorování bylo hledání druhé galaxie, která by obsahovala minimální množství temné hmoty - a v březnu 2019 byla taková galaxie objevena.
Vědci publikovali dva vědecké články - vByli první, kdo přeměřili hmotnost DF2 pomocí Hubbleovy pokročilé kamery a 10metrového dalekohledu na Keck Observatory na Havaji. Astronomové tentokrát pozorovali nejen rychlost pohybu hvězdokup, ale také rychlost rotace hvězd uvnitř nich. V důsledku toho vědci zjistili, že DF2 je průhledná ultra-difuzní galaxie, jejíž velikost je přibližně stejná jako Mléčná dráha. Jen v něm bylo asi 200krát méně hvězd.
Druhý článek byl věnován objevení takovýchDF2 galaxie - DF4, který se nachází ve stejném klastru vedle galaxie NGC 1052. Vědci se domnívají, že za prvé, galaxie s minimálním množstvím temné hmoty nejsou neobvyklé, a za druhé, že velká galaxie by mohla „ukrást“ temnotu. od svých menších sousedů.
Jak může být absence temné hmoty důkazem její existence?
Rozumět tvrzení, že nepřítomnost tmyhmota ve dvou galaxiích potvrzuje svou přítomnost ve vesmíru v souladu s obecnou teorií relativity, stojí za to kritizovat myšlenku přítomnosti temné hmoty.
Někteří vědci s tím nesouhlasí ve vesmíruje zde temná hmota a teoretický důkaz o její přítomnosti je přisuzován tzv. modifikované newtonovské dynamice (MOND). Tato alternativní teorie říká, že gravitace na kosmickém měřítku nefunguje tak, jak Isaac Newton nebo Albert Einstein předpověděli. To znamená, že v případě galaxií nefunguje obecná teorie relativity, na které jsou postaveny teorie o existenci temné hmoty.
Například teoretický fyzik Erik Verlinde zAmsterdamská univerzita zveřejnila v roce 2016 vědecký článek, který zkoumal gravitaci jako vedlejší produkt kvantových interakcí a navrhl, že dodatečná gravitace přisuzovaná temné hmotě je efektem temné energie – energie pozadí vetkané do struktury časoprostoru vesmíru.
Jinými slovy, Verlinde věří, že temná hmota není hmota, ale pouze interakce mezi běžnou hmotou a temnou energií.
Objev vědců z Yale Universitydemonstruje, že temná hmota může být oddělena od běžné hmoty, za předpokladu, že obě detekované galaxie se chovají v souladu se standardní teorií gravitace. To znamená, že procesy, které se v nich vyskytují, lze vysvětlit pomocí rovnic objevených Newtonem a Keplerem.
Jaké jsou otázky
Objev astronomy, pokud bude úspěšnýpřesvědčivě potvrzené budoucími pozorováními, zpochybňuje stávající teorii o formování galaxií. Zejména mluvíme o předpokladu, že větší NGC 1052 by mohla „ukrást“ temnou hmotu z DF2 a DF4. Pokud je to skutečně možné, za předpokladu, že bude zachován řád, který je pozorován v obou pozorovaných galaxiích, pak budou muset astronomové zcela přehodnotit mechanismus jejich vzniku a existence.
"Doufáme, že zjistíme, jak často."tyto galaxie a zda existují v jiných oblastech vesmíru. Chceme najít více důkazů, které nám pomohou pochopit, jak jsou jejich vlastnosti konzistentní nebo nejsou v souladu s našimi současnými teoriemi. Doufáme, že nám to umožní další krok v porozumění jedné z největších záhad v našem vesmíru - povaze temné hmoty, “řekl Dokkum v rozhovoru s Astronomií.