Zvětšit obrázek

Výsledky prověřování vlivu gravitace světla v různém měřítku. Doposud se gravitační červený posuv zkoumal v rozmezí Země a Sluneční soustavy, nyní jsou známy i výsledky testu v škále 10²² větší, než byly laboratorní testy (Jeffersson Lab.). Značky na úsečkách označují statistický průměr poměrů naměřených a teoretických hodnot gravitačního červeného posuvu. Samozřejmě, že na obrovských vzdálenostech až stovek milionů světelných let je rozptyl větší i výsledný statistický průměr méně přesný. Podstatně více ale odpovídá obecné teorii relativity než alternativní teorii uvažující s časoprostorovými změnami gravitačního zákona namísto působení temné hmoty a temné energie. Kredit: Radosław Wojtak/Niels Bohr Institute

V rámci proslulé Kodaňské university (1479) vznikl v roce 1921 Ústav Nielse Bohra pro teoretickou fyziku. Jeho součástí je i Centrum pro temnou kosmologii, v němž se vědci zabývají dvěma hlavními vesmírnými ingrediencemi, které se z 95 % podílejí na složení vesmíru – temnou hmotou a zejména temnou energií. Trojlístek tamních astrofyziků - Radek Wojtak, Steen Hansen a Jens Hjorth – se pustil do boje s obrovským množstvím čísel, aby i na velkorozměrové kosmické škále prokázal platnost jednoho z důležitých předpokladů teorie relativity – ovlivňování světla gravitačním polem. Vědci sami nic neměřili, ale vzali si na mušku asi 8 000 galaktických kup, u nichž jsou díky Sloanově digitální přehlídce oblohy (SDSS) známy hodnoty červených posuvů světla mnohých konkrétních galaxií. Pak se zaměřili na ty, které se nacházejí uprostřed kup a na ty v jejich okrajových částech. Pomocí podrobných analýz červených posuvů hledali tu nepatrnou složku rozdílů, kterou způsobuje odlišný gravitační potenciál. Protože kupa galaxií představuje gigantické, gravitací svázané seskupení tisíců galaxií, světlo pocházející z jeho středu se musí na své pouti napříč oblastí těchto velkých koncentrací hmoty „vyhrabat“ z gravitační potenciálové jámy, jež je pro světlo galaxií na periférii kup mělčí. Samozřejmě jde o záření vysílané ve směru k Zemi a námi pozorovanou situaci. 

Zvětšit obrázek

Trojice astrofyziků analyzovala záření jednotlivých galaxií v asi 8 000 galaktických kupách. Jsou to gravitačně vázaná seskupení tisíců galaxií. (Každá světlá skvrna na obrázku je galaxie.) Jejich gravitace ovlivňuje procházejí světlo. Kredit: Niels Bohr Institute

Na červeném posuvu se zmíněný gravitační rozdíl sice projeví, ale je to efekt asi o polovinu slabší v porovnání s vlivem vlastních pohybů galaxií v kupě. Pro průměrné galaktické seskupení s úhrnnou hmotností okolo 10¹⁴ násobku Slunce se rozdíl odhaduje menší než 10 km/s. Což samozřejmě neznamená, že se světlo z centrálních galaxií pohybuje o tuto rychlost pomaleji, ale že červený posuv způsobený gravitací kupy má stejnou hodnotu, jaká by vznikla, kdyby se fotony nemusely „prodírat“ potenciálovou překážkou, ale jejich zdroj by se pohyboval směrem od nás o maximálně 10 km/s rychleji. 

Aby astrofyzikové mohli porovnat teoretickou hodnotu červeného posuvu vyplývající z Einsteinovy teorie, museli co nejpřesněji určit hmotnost celé galaktické kupy a stanovit její gravitační potenciál, který pro výpočet potřebovali. Výsledné, z teorie relativity vyplývající hodnoty pak porovnali s reálně naměřenými. Získaný soubor dat (poměrů reálných a teoretických hodnot) pak podrobili statistické analýze.
A udělali ještě další porovnání – na jedné straně s předpoklady kosmologického modelu ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter), který uvažuje s existencí temné energie a hmoty a na druhé straně s předpoklady alternativní teorie vycházející z Newtonovské modifikované dynamiky. Ta se snaží výsledky pozorování, která si vyžádala zavedení temných složek vesmíru, vysvětlit změnami gravitačního zákona na velké časoprostorové škále. Kodaňští vědci prokázali, že i světlo ze vzdálených galaktických kup dává za pravdu převládajícím kosmologickým představám o temné, bližšímu poznávání vzdorující podstatě všehomíra. „Ukázalo se, že výpočty gravitačního červeného posuvu vycházející z teorie relativity jsou v naprosté shodě s hodnotami naměřenými. Analýzy pozorování kup galaxií prokazují, že červený posuv se mění úměrně v závislosti na gravitačním působení galaktického seskupení. Naše studie teorii relativity v tomto směru potvrdila,“ komentuje výsledky první autor článku Radek Wojtak.

Zvětšit obrázek

V oblasti galaktické kupy MACS J1206.2-0847 je vidět několik obrazů podstatně vzdálenějších galaxií zdeformovaných gravitací. Velká míra deformace potvrzuje, že temná hmota převládá nad tou svítící. Kredit: CLASH / HST

Trochu diskutabilní je tvrzení uvedené v mediální zprávě Kodaňské university, že jde o první potvrzení Einsteinovy obecné teorie v měřítku větším, než je Sluneční soustava, cit.: „Zároveň se všechny interpretace v astronomii zakládají na správnosti teorie relativity, nikdy předtím ale nebylo možné Einsteinovu teorii ověřovat v měřítku větším, než je Sluneční soustava.“ Již přes tři desetiletí astronomové registrují takzvané gravitační čočky – obraz vzdáleného objektu, například galaxie, zdeformovaný, zesílený a případně znásobený gravitačním polem velkého a k pozorovateli mnohem bližšího hmotného objektu – například kupy galaxií. Krásným příkladem je snímek 4,5 miliardy světelných let vzdálené kupy galaxií MACS 1206 (MACS J1206.2-0847), který z oběžné dráhy okolo Země zaslal Hubblův teleskop letos v dubnu. Gravitační čočkou deformovaný obraz vzdálenějších galaxií vypovídá mnohé i o neviditelné temné hmotě. O jejím rozložení a gravitačním působení. Svědčí o tom, že tato nepolapitelná matérie má mnohem vyšší hustotu uvnitř kupy - v její centrální části, než v okrajových oblastech nebo v prostoru mimo ní. Astronomové zapojení do mezinárodního projektu CLASH (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble) v několika spektrálních oblastech postupně zkoumají 25 galaktických kup, aby v nich co nejpodrobněji zmapovali rozložení temné hmoty na základě jejích gravitačních účinků.

Zdroje: Niels Bohr Institute News, Nature, Hubble Site