Nová hustotní funkce pro distribuci temné hmoty
I po třičtvrtě století, co o existenci temné hmoty víme, ji stále pozorujeme jen nepřímo, podle gravitačních projevů. Odhalil ji v roce 1933 v USA žijící švýcarský astronom bulharského původu Fritz Zwicky, když zjistil, že pozorované rychlosti hvězd obíhajících kolem galaktických center jsou příliš vysoké na to, aby byly sto svou gravitací udržet kompaktní formu galaxie pohromadě. Takže tam musí být další neviditelná, takzvaná temná hmota, o které víme jenom díky jejím gravitačním vlivům na okolí, ale které je ve vesmíru téměř 6 krát více, než té, kterou dokážeme pomocí nějakého druhu elektromagnetického záření detekovat.
Na Universitě v Granadě spojili své síly astronomové z Katedry teoretické fyziky a astrofyziky, které šéfuje Eduardo Battaner a jejich kolegové z Katedry aplikované matematiky, vedené Juanem Solerem a pokusili se vyřešit nelehký úkol – udělat teoretický fyzikálně-matematický model galaxie tak, aby do něho byla zakomponována prostorová hustota temné hmoty.
Galaxie z pohledu gravitace, do které se promítá i existence temné hmoty je mnohem větší, nežli galaxie vnímaná jenom přes detekovatelné záření. V spolupráci španělských astronomů a matematiků se zrodila možnost pomocí rovnic počítat hustotní profily, které zobrazují, jak klesá množství temné hmoty v jednotce objemu od centra galaxie směrem k jejímu okraji. Jinými slovy, blíž ke středu galaxie hustota temné hmoty narůstá. I doposud byl její gravitační vliv simulován na počítačích, ale nový model prý umožňuje komplexnější a hodnověrnější popis prostorového rozložení temné hmoty. Měl by přispět k řešení základních otázek kolem galaxií – jejich vývoje, dynamiky, složení a rozměrů.
Zdroj: Kopernik observatory.
Obří galaxie M87 – objekt vhodný pro testování teoretických modelů
Galaxie M87 je obří eliptická galaxie, největší a nejjasnější v severní skupině galaxií v Panně. Světlo z ní k nám letí asi 54 miliónů let, což je z astronomického hlediska „za humny“, proto M87 řadíme mezi blízké galaxie. Její jádro je pozoruhodně aktivní, je zdrojem záření v mnoha spektrálních oblastech, zejména rádiových vln a tryská z něho obrovský, 6 500 světelných let dlouhý proud (jet) ionizované hmoty (článek Prúd plazmy jasnejší než samotné galaktické jadro). V porovnání s naší Galaxií je M87 jen asi o pětinu rozlehlejší, její disk má v průměru 120 tisíc světelných let, ale je víc než čtyřikrát hmotnější. A v jejím galaktickém halo je asi 80 krát více kulových hvězdokup než se nachází kolem Mléčné dráhy. M87 je častým cílem pro dalekohledy amatérských astronomů, ale i pro největší profesionální teleskopy.
Galaktické halo M87 neodpovídá modelu
Pozorování M87 pomocí teleskopu VLT (Very Large Telescope) Evropské vesmírné observatoře přineslo astronomům překvapení. Pozorované galaktické halo kolem této galaxie je podstatně menší, než spočítaly fyzikálně-matematické modely. Teoretické halo z modelů má průměr kolem milionu světelných let, pozorované je však o polovinu menší – kolem 500 000 světelných let. Vysvětlení této nesrovnalosti je zatím ve hvězdách, ale astronomové nahlas uvažují o dvou hypotézách. O dávné kolizi galaxie M87 s oblakem koncentrovanější, pravděpodobně temné hmoty, nebo o slapovém působení jiné galaxie ze skupiny galaxií v Panně, možná M84, která se před asi miliardou let ocitla tak blízko M87, že svou gravitací zdecimovala vnější oblast jejího halo.
Černá díra v centru M87 je podle nového modelu mnohem hmotnější
Astronomové Karl Gebhardt (University of Texas, Austin) a Jens Thomas (Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics, Garching) vypracovali nový počítačový model pro strukturu galaxie, který zahrnuje i gravitační působení temné hmoty, která se nachází v halo kolem galaxie. Pro testování modelu si zvolili prozkoumanou galaxii M87 a do rovnic dosadili potřebné známé údaje. Počítač je překvapil výsledkem, podle kterého je černá díra v centru M87 dva až třikrát hmotnější, než si doposud myslíme. S hmotností 6,4 miliard Sluncí je tak největší zkoumanou černou dírou v našem vesmírném okolí.
Kredit: Tim Jones/UT-Austin
Výsledek není jen překvapením, ale může mít další astrofyzikální důsledky. Gebhardt a Thomas totiž tvrdí, že všechny hmotnosti černých děr v centrech známých velkých galaxií jsou pravděpodobně poddimenzované stejnou mírou a v skutečnosti jsou mnohem hmotnější, než předpokládáme. A to by pak pozměnilo dosavadní teorie o formování galaxií. Na druhou stranu, kdyby oba původem němečtí vědci měli pravdu, pak by jejich model možná vyřešil některé dlouhodobé astronomické paradoxy.
Na výpočty, které nový model vyžaduje, již běžný počítač nestačí. Gebhardt a Thomas měli možnost galaxii M87 „počítat“ na jednom z nejvýkonnějších superpočítačů světa, systému Lonestar v Texas Advanced Computing Center na Texaské universitě. Lonestar je soustava 5 840 procesorových jader a v porovnání s nejmodernějšími laptopy je asi 6 200 krát výkonnější. A právě to astrofyzikům umožnilo vytvořit a testovat mnohem komplikovanější model, do kterého kromě hvězd a černé díry zakomponovali i sférické halo tmavé hmoty, jež galaxii obklopuje a několikrát rozměrově přesahuje oblast s viditelnou hmotou.
„I v minulosti jsme uvažovali s halo temné hmoty, ale neměli jsme k dispozici také výpočetní technické možnosti, abychom ho mohli zahrnout do modelu“, vysvětluje Gebhardt. Byli jsme schopni počítat jenom s hvězdami a černými dírami. Přidat temné halo bylo příliš náročné, bez superpočítače by to nebylo možné“.
Podrobnosti Gebhardt zveřejnil na tiskové konferenci 8. června na 214. setkání Americké astronomické společnosti v Pasadeně v Kalifornii. Odborný článek by měl v létě uveřejnit Astrophysical Journal.
Zdroje: ScienceDaily , Astronomy & Astrophysics , University of Texas at Austin