Temná hmota a záhada "ztracených" galaxií

Pavučina krevních vlásečnic v mozku – nebo něco jiného? Obrázek z počítačové simulace CLUES znázorňuje velkou část okolního kosmu. Vidíme místo, kde se nachází naše vlastní galaxie, Mléčná dráha: je uvnitř tzv. local group, místní skupiny galaxií. Jasné struktury ovšem nejsou viditelnou hmotou (z níž se skládají galaxie), reprezentují hmotu neviditelnou, temnou, kterou v kosmu registrujeme pouze díky jejím gravitačním účinkům. Nadkupy a kupy galaxií jsou uvnitř shluků této záhadné substance (podrobnější popis je na konci článku).

Více o pozoruhodných simulacích vývoje kosmu CLUES a Bolshoi se dočtete v tištěném Respektu. Na tomto místě teď podrobněji rozeberme nesoulad mezi dosud široce přijímanou teorií studené temné hmoty a pozorováním. Tento rozpor je v článku klíčový, všechny podrobnosti se však do časopisu nevešly.

externí video: Bolshoi simulation clusters

Astrofyzik Joel Primack a Christopher Henze, vedoucí skupiny pro vědecké vizualizace v NASA Ames Research Center, předvádějí malou část simulace Bolshoi. Ve výřezu uprostřed grafické stěny vidíme jeden se shluků temné hmoty, v jehož nitru je obří kupa galaxií. Primack vysvětluje, že čím je takový shluk větší, tím má protaženější tvar.

Podstatu temné hmoty neznáme, pokud se však zmíněná teorie nemýlí, skládala by se z poměrně těžkých částic pohybujících se výrazně pomaleji než světlo. Velmi slabě by interagovaly s běžnou hmotou i se sebou navzájem – „nevšímaly“ by si světa kolem sebe.

Nesoulad mezi teorií a pozorováním stručně řečeno spočívá v tom, že dosadíme-li do zmíněných simulací vývoje kosmu charakteristiky studené temné hmoty, je výsledkem vesmír, který skvěle souhlasí se skutečností na měřítkách stovek milionů světelných let; na menších škálách, třeba v okolí naší galaxie, však nastanou problémy. Superpočítač tu astrofyzikům prostřednictvím simulace ukazuje věci, které v kosmu nevidíme.

Astrofyzik James Bullock vysvětluje, jak z běžné hmoty, která tvoří pouhých pět procent vesmíru, vyrůstá složitost našeho světa. Je temná hmota naproti tomu opravdu tak jednoduchá, jak si představujeme?

Podle simulací by například Mléčná dráha měla být součástí obrovského oblaku temné hmoty (tzv. halo), rozděleného na tisíce menších shluků této záhadné substance (říká se jim subhalo). V jednotlivých subhalo by měly zářit galaxie. Jenže v okolí Mléčné dráhy pozorujeme místo předpovězených tisíců pouze asi deset jasných galaxií, satelitů té naší. Kam se poděly ostatní hvězdné ostrovy? Podobný problém existuje také v okolí sousední galaxie Andromeda. 

Joel Primack, jeden z autorů teorie studené temné hmoty, vysvětluje rozpor zaprvé tím, že malá subhalo do sebe nemusela nasát dost běžné látky, a nezačaly v nich tedy vznikat hvězdy. Proto je nevidíme – přítomnost těchto shluků temné hmoty nic neprozrazuje. Zadruhé, nesoulad podle něj nemusí být tak dramatický, jak se dosud jevil, protože současné přehlídky oblohy, například Sloan Sky Digital Survey, nachází v našem okolí další slabé galaxie, takže se propast mezi simulací a pozorováním zmenšuje.

Podstatně závažnější je však jiný rozpor: některá simulovaná subhalo jsou „příliš velká na to, aby selhala“ a nedala vznik galaxiím – v angličtině „too big to fail“. Jde o to, že počítačové simulace kladou do okolí galaxií podobných Mléčné dráze zhruba deset masivních shluků temné hmoty, jež jsou tak hmotné, že v nich prostě musejí vznikat hvězdy a galaxie. Kde tedy jsou? Nejde právě o ona subhalo, která v okolí Mléčné dráhy zrodila oněch zhruba deset jasných satelitních galaxií? Bohužel ne. Předpovězená subhalo jsou příliš hustá na to, aby v nich pozorované galaxie mohly vzniknout. Hvězdy by v nich musely kolem jádra galaxie obíhat mnohem rychleji, než pozorujeme.

Co z toho plyne? Názory se liší. Joel Primack připouští, že rozpor je vážný, jeho teorie však podle něj přežije. Někteří astrofyzici se však domnívají, že podstata temné hmoty je jiná, než tvrdí Primackova teorie. O tom ale více v článku v tištěném Respektu.

Vysvětlivky k obrázku ze simulace CLUES, zmíněnému v úvodu článku: Zachycuje situaci v oblasti kosmu o hraně 160 megaparseků (asi 520 milionů světelných let). Nejsvětlejší oblasti znázorňují shlukly temné hmoty, v nichž jsou nadkupy a kupy galaxií: Kupa Coma v souhvězdí Vlasy Bereniky je jedním z nejhustších uskupení galaxií ve známém vesmíru. Zkratka LSC znamená „Local Supercluster“ – místní nadkupa galaxií, jejíž součástí je kromě naší „místní skupiny“ i kupa Virgo (kupa galaxií v souhvězdí Panny). Zkratka GA znamená Great Attractor, velký přitahovač – gravitační anomálie přitahující okolní galaxie, PP je Perseus-Pisces supercluster (nadkupa Perseus-Ryba). 

Viz též tento obrázek.