Téměř čtvrtinou (23%) se na složení vesmíru podílí temná hmota - tajemná, neviditelná, projevující se jenom svým gravitačním působením na okolí. Představuje jednu z tajenek, kterou se moderní kosmologie snaží vyřešit již přes tři čtvrtě století. Jedno písmenko do ní vkládá i nový výzkum vzdálených kup a skupin galaxií (kupa – gravitační seskupení stovek až tisíců galaxií, skupina – desítek galaxií), na kterém spojilo své síly třicet vědců z renomovaných pracovišť, jakými jsou německý Max Planckův ústav pro mimozemskou fyziku (Max Planck Institut für extraterrestrische Physik), francouzská Laboratoř pro astrofyziku v Marseille a americká Lawrencova národní laboratoř v Berkeley. Hledali závislost mezi celkovým množstvím hmoty (temné +„normální“), která se projevuje svými gravitačními účinky a rentgenovou svítivostí produkovanou výlučně známou formou hmoty. Doposud byl tento vztah (hmota – svítivost) známý pro bližší galaktická seskupení, nové výsledky, publikované v nejnovějším vydání časopisu Astrophysical Journal ho rozšiřují i pro 206 mnohem vzdálenějších kup a skupin galaxií (ve vzdálenosti asi 3 až 7 miliard světelných let).
Svítivost vědci určili na základě analýz snímků evropské rentgenové kosmické sondy XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission – Newton) a americké rentgenové sondy Chandra. Jejich ostrý rentgenový zrak umožňuje rozlišit detaily na velké kosmické vzdálenosti. „Schopnost sondy XMM-Newton poskytnout data pro tvorbu katalogů kup galaxií v hlubokých polích je obdivuhodná,“ uznaně přízvukuje jeden z autorů práce, Alexis Finoguenov z Ústavu Maxe Plancka.
Ale jak změřit celkovou hmotnost vzdálených galaktických kup a skupin? Řešení nabízí jeden z důsledků teorie relativity – gravitační čočka. K tomuto jevu dochází, protože hmotný objekt zakřivuje svůj okolní prostor. Světelné paprsky ze zdroje, který se vzhledem na pozorovatele nachází za hmotným tělesem, při prolétání deformovaným prostorem také zakřivují své dráhy a to tím více, čím je objekt hmotnější a čím více se k němu přiblíží. Pro pozorovatele se pak obraz vzdálenějšího zdroje záření posouvá, může se rozdělit na více obrazů, nebo jinak zkreslit. Přesné měření takových poruch pak umožňuje stanovit hmotnost objektu, ze kterého se stala gravitační čočka a to díky vhodné prostorové konstelaci pozorovatel – hmotný objekt – zdroj záření.
V případě studie velmi vzdálených objektů je ale efekt gravitační čočky příliš slabý, případné rozdľlení obrazu je nerozlišitelné. Jedinou možnost skýtá statistické vyhodnocení dodatečných slabých optických poruch v obrazu vzdálených galaxií. Pro získání korektních výsledků je ale nevyhnutné znát těžiště jednotlivých galaktických seskupení.
"Problém s kupami galaxií s vysokým rudým posuvem (tedy velmi vzdálených) spočívá v tom, že je obtížné přesně určit, které galaxie se nacházejí v centru kupy. A právě to řeší rentgenová měření. Svítivost kupy galaxií v rentgenovém spektru umožňuje určit střed velice přesně," vysvětluje Alexie Leauthaudová z laboratoře v Berkely. Tak snímky ze sondy Newton pomohly mezinárodnímu týmu určit celkovou hmotnost vzdálených skupin a kup galaxií s mnohem větší přesností, než kdykoli předtím.
Dalším krokem bylo vynesení zjištěné rentgenové svítivosti každé galaktické kupy do grafu v závislosti od její hmotnosti, stanovené pomocí gravitační čočky. Výsledkem je určení korelačního faktoru mezi hmotností a svítivostí pro soubor méně hmotných a vzdálených kup galaxií. V rámci spočítatelné míry neurčitosti přímka této závislosti má stejný sklon pro blízké galaktické struktury, zkoumané dávněji i pro vzdálené galaxie, studované nyní. To znamená, že celkovou hmotu (baryonickou + temnou) skupin a kup galaxií propojuje konzistentní úměra s jejich rentgenovou zářivostí, která souvisí výlučně s přímo pozorovatelnou baryonickou hmotou.
"Potvrzením vztahu hmotnost-svítivost a jeho rozšířením pro vysoké hodnoty rudého posuvu jsme udělali malý krok směrem k využití slabé gravitační čočky pro výzkum vývoje kosmických struktur," tvrdí francouzský fyzik Jean-Paul Kneib.
Nezřetelné, ale přece jen viditelné stopy po vzniku galaxií je možné odhalit v mizivých teplotních rozdílech ve vesmírném mikrovlnném pozadí. Jsou odrazem dávných nepatrných nehomogenit v hustotě horkého raného vesmíru. Nehomogenit, které souvisí i s prostorovým rozložením temné hmoty.
"Jemné rozdíly v mikrovlnném kosmickém pozadí představují otisky temné hmoty, která v průběhu času vytvořila kosmická lešení pro galaxie, které dnes vidíme," říká George Smoot, ředitel Centra pro kosmologii v Berkely, jeden z laureátů Nobelové ceny za fyziku v roce 2006, udělenou právě za měření anizotropie v mikrovlnném kosmickém pozadí. "Je to vskutku vzrušující, že můžeme pomocí gravitační čočky reálně měřit, jak se temná hmota zhroutila do struktur a jak se tyto vyvíjely od vesmírných počátků."
Cílem výzkumu vývoje těchto struktur je snaha o pochopení co se pod pojmem temná hmota ukrývá, jaká je její interakce s „běžnou“ hmotou, kterou dokážeme pozorovat pomocí záření. Podobným úkolem je pochopení podstaty tajemné temné energie, jež urychluje rozpínání vesmíru. Kolem ní vyvstává množství nezodpovězených otázek. Nevíme co to vlastně je, pozorujeme jen její působení na prostor, nejsme si jisti, jestli je konstantní, nebo dynamická, dokonce jestli to náhodou není jenom „iluze“ způsobená například omezením platnosti všeobecné teorie relativity. I určení závislosti hmotnost – svítivost přispívá k hledání odpovědí na dráždivé otázky o roli temné hmoty při tvorbě vesmírných struktur a o protikladném působení gravitace a temné energie při formování celého vesmíru.
Zdroje: ESA News , Astrophysical Journal
Diskuze:
Rozložení temné hmoty
Jan Kýla,2010-03-06 00:30:32
Temná hmota se vyskytuje převážně v galaxiích a zásadně ovlivňuje jejich rotaci, teplotu plůnu, srážky galaxii a mnoho dalšího.
V naší sluneční soustavě je naopak temná hmota tak dokonale homogenní, že její vliv nedokážeme nijak pozorovat a změřit. Pohyby planet se měří a ověřují na kdoví kolik desetinných míst.
Ovšem úniková rychlost (gravitační jáma) z naší galaxie není ani dvojnásobná proti únikové rychlosti z naší sluneční soustavy. Proč se temná hmota shromažďuje v galaxiích, ale gravitační díru kolem hvězdy totálně ignoruje?
Re:
Vít Výmola,2010-03-06 13:49:11
Je třeba si uvědomit jednu věc. Není to tak, že by se temná hmota soustřeďovala v galaxiích, je tomu právě NAOPAK. "Normalní" hmota se vyskytuje převážně tam, kde je nashromážďena temná hmota. Je jednoduché si toto představit, když si uvědomníne, že temné hmoty je téměř šestkrát tolik.
Pokud je rozložení temné hmoty +- homogenní, pak ji stěží můžeme pozorovat ve Sluneční soustavě, protože ji prostupuje skrz naskrz a také ji ve všech směrech obklopuje. Její gravitační účinky se tedy navzájem vyruší.
No právě :-)
Jan Kýla,2010-03-06 22:27:33
No právě, všude kolem nás je ohromné množství temné hmoty, která je na potvoru téměř zcela homogenní. Nikdo nic nenaměřil. Platnost OTR je prověřená s velkou přesností. I zcela miniaturní nehomogenita by ve sluneční soustavě neušla naší pozornosti.
Přesto předpokládáme,že na úrovni galaxií je temná hmota extrémně nehomogenní a vůbec nám to nevadí.
Kdyby s teorií ala temná hmota přišel někdo z např. materiálového výzkumu, aby jí objasnil nesoulad mezi pozorováním a teoríí, sklidil by monstrózní posměch. Kosmologům to zatím překvapivě hladce prochází...
...
Jan Kýla,2010-03-06 00:14:31
Já chápu že na vysvětlení všech kosmologických nesrovnalostí nestačí pouhá korekce gravitačního zákona. Ale to neznamená, že temná hmota je správné řešení.
Neutrina jsou vcelku "normální" částice, protože aspoň nějak (negravitačně) interagují s okolní hmotou. To je ovšem jeden z mnoha důvodů, proč se na vysvětlení temné hmoty nehodí. I ta "slabá" slabá interakce by při tom ohromném předpokládaném množství temné hmoty udělala z vesmíru vánoční stromeček.
Částice interagující pouze gravitačně jsou podle mě nesmysl. Můžeme maximálně zavést nějakou hustotu temnné hmoty v prostoru a její změny.
Dotaz?
Jan Kýla,2010-03-01 18:08:29
Jestli to dobře chápu, temná hmota interaguje s "normální" hmotou pouze gravitačně. Nemúžeme ji tedy pozorovat jinak, než jako "chybu" gravitačního zákona. Nelze potvrdit její existenci alternativně, tedy studiem negravitačních interakcí s normální hmotou.
Není to trochu proti vědeckým zásadám zavést temnou hmotu, jejíž existenci nejde už z její definice potvrdit ani vyvrátit?
Jakub Šenkýř,2010-03-01 20:16:28
Existenci temné hmoty lze testovat (tj. potvrdit / vyvrátit). Jenom zatím neznáme její povahu - o tom jsou koneckonců všechny ty články na Oslu ;-)
Nechápu
Jan Kýla,2010-03-02 22:57:53
Stejně to nechápu. Astronomové koukají na hvězdy a předpokládají, že tam daleko platí stejné fyz. zákony jako tady na Zemi. A z těch pozorování a zákonů vyvozují, jak je která hvězda nebo galaxie horká, jak je daleko, jak rychle a kam letí a jak se otáčí. A najednou jim to přestane vycházet. Galaxie se točí moc rychle a jsou moc "teplé". Při srážkách galaxií to taky neklape.
A tak zavedou temnou hmotu. Ideálního pomocníka, který má neznámou hustotu, teplotu, nevíme jak interaguje s ostatní hmotou ani sám se sebou, takže vysvětlí naprosto cokoli.
Má u hmoty, která neinteraguje dle kvantové teori el-mag-(slabého) pole vůbec smysl pojem rychlosti, teploty nebo času? Měření času máme přeci definováno pomocí kmitání "kvanových hodin" a všechno ostatní měření z něho vychází.
Předpokládám, že rozložení temné hmoty je tak akorát téměř dokonale homogenní, že v naší sluneční soustavě se její vliv nemůže projevit, kdežto v měřítku galaxie již má vliv zcela zásadní. Je to tak?
Re:
Vít Výmola,2010-03-04 22:57:47
Temná hmota je sice záhadna, alespoň zatím, ale není to žádná berlička a chová se docela rozumně. Že skutečně existuje a nejde o modifikaci gravitačního zákona, nám dokládají například pozorování kup galaxií, kde zcela jasně můžeme pozorovat gravitační účinky v prostoru MEZI galaxiemi, tedy tam, kde kromě těchto účinků "nic" není - popisuje to líp pan Wágner o kousek níž. Taktéž není důvod vyjímat temnou hmotu z pojmů jako teplota, rychlost atd., protože částice, přestože nijak než gravitačně nereaguje, se přece taky pohybuje nebo kmitá. A to ani nemluvím o kvantových teoriích gravitace :). No a konečně, známe přece i částice, které by mohly (ale nejsou) být kandidáty na temnou hmotu a mají vlastnosti velice podobné - neutrina. O nich byste jistě nic podobného neřekl.
Oprava?
Petr Hloušek,2010-02-23 21:35:50
Prosím napište nám, jak daleko jsou galaxie na posledním obrázku. Díky. P.
Dagmar Gregorova,2010-02-24 08:05:40
Sorry ... prepocitavala jsem to z rudeho posuvu, vypadlo slovicko miliard... obcas je den "blbec"
:)
Tim prepoctem se to samozrejme dost znepresni, ale pro potreby popularizacniho clanku jsem povazovala za rozumnejsi tam dat svetelne roky, nez hodnotu rudeho posuvu. Puvodni verze, jestli me pamet neklame je z=0,2 az 1...
Temnou hmotu nevysvětlí modifikace gravit. zákona
Vladimír Wagner,2010-02-23 19:49:24
Asi nejsilnější důkaz pro to, že temná hmota existuje a že vlivy, které se ji přisuzují, nejsou dány nějakými modifikacemi gravitačního zákona na velkých vzdálenostech, je z chování různých typů hmoty při srážkách kup galaxií. Je to dáno tím, že při takové srážce temná hmota obou kup neinteraguje (kromě gravitační interakce) a letí v původním směru. Normální hmota koncentrovaná v galaxiích se také zbrzdí málo a letí s temnou hmotou. Naopak, normální hmota, rozprostřená jako plyn a plazma v mezigalaktickém prostoru se při srážce tře (působí na sebe elektromagnetickou interakcí) a její pohyb se drasticky zpomalí. Plyn, jehož hmotnost je v kupě galaxií daleko větší než hmotnost hmoty soustředěné v galaxiích tak bude úplně jinde než galaxie z kup. Můžeme jej pozorovat pomocí jeho rentgenova záření. Pokud bychom zjistily (právě pomocí gravitačního čočkování), že hmotnost se koncentruje v místech, kde je plyn z kup po srážce, tak by to znamenalo, že temná hmota neexistuje. Pokud však zjistíme, že hmotnost se koncentruje v místě, kde jsou galaxie z kup po srážce, tak tam kromě galaxií musí být temná hmota (její hmotnost by měla být ještě větší než hmotnost plynu v kupách). A ukázalo se, že opravdu centrum gravitace je po srážkách kup v místech koncentrace galaxií a ne v místech koncentrace mezigalaktického plynu. To téměř z jistotou vyloučilo vysvětlení efektů spojovaných s temnou hmotou pomocí modifikace gravitačních zákonů. Blíže viz.:http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/temna/Temnahmotavesmir.pdf
Dagmar Gregorova,2010-02-23 20:52:16
In this paper, we use a sample of 206 X-ray-selected galaxy groups to investigate the scaling relation between X-ray luminosity (L X) and halo mass (M 200) where M 200 is derived via stacked weak gravitational lensing.
Ani autoři, ani článek neříká nic o modifikaci gravit. zákona. Otázku o všeobecné platnosti VTR kladou na stránce ESA (odkaz).
V článku opravdu nic o omezení OTR není
Vladimír Wagner,2010-02-23 22:39:03
Omlouvám se, jestli to vyznělo jako komentář pouze přímo k danému článku (či jeho kritika :-)). Myslel jsem to pouze jako zajimavé doplnění, že už dnes existují poměrně velmi silné důkazy, že za temnou hmotou nemůže být modifikace gravitačních zákonů a musí jít s velmi vysokou pravděpodobností o nějaký druh zatím neidentifikovaných částic.
Dagmar Gregorova,2010-02-24 08:38:35
Priznavam bez boje, ze clanek byl tak trochu sit horkou jehlou... dnes bych ho jiz prestylizovala jinak, aby bylo zjevnejsi, ze "zvazeni" cele kupy galaxii muze dat priblizny odhad, kolik je v soustave neviditelne hmoty, kdyz ze zareni dokazeme s nejakou presnosti urcit, kolik je tam te viditelne. Je to samozrejme vsechno s velkou mirou nejistoty... a ty poznamky na zaver o formovani vesmiru a temne hmoty se take daji lepe vysvetlit - vidime deje z ranejsich dob vesmiru.
Kdyby nekomu prebyval metrak casu...
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
