Méně temné záležitosti v mladých galaxiích?

Nová studie šesti mladých galaxií vytvářejících hvězdy naznačuje, že jsou méně ovlivněny temnou hmotou, než se očekávalo. Výsledky však mohou říci více o evoluci galaxií než o povaze temné hmoty.

Dojem tohoto umělce porovnává rotující diskové galaxie ve vzdáleném vesmíru ( vpravo ) a současnosti ( vlevo ).
ESO

Kdyby jen Vera Rubinová žila další rok: Zajímalo by mě, co by ze zpráv mohla udělat dnes. Rubin a její kolega z Carnegie Institution of Washington, Kent Ford, dosáhli astronomické slávy, když změřili rotaci naší sousedské galaxie Andromeda před 47 lety. Jejich práce sloužila jako zásadní důkaz existence temné hmoty.

Nyní, v časopise Nature, Reinhard Genzel (Institut Maxe Plancka, Garching, Německo) a jeho kolegové hlásí podobná měření šesti vzdálených galaxií, což je překvapivě v rozporu s Rubinovým historickým nálezem.

Objevování temné hmoty

Když Rubin a Ford shromáždili spektra ionizovaného vodíku v Andromedě před téměř stoletím, změřili rychlost 67 plynných mraků, když se otáčeli kolem středu galaxie s mnohem větší přesností než kdykoli předtím. To, co astronomové našli, bylo v té době docela zvědavé: přibližně za 15 000 světelných let od středu galaxie se rychlosti mraků nezpomalily - nejvzdálenější mraky se otáčely stejně rychle jako ti mnohem blíže k centru. Buď byla galaxie Andromeda uprostřed létání od sebe (není pravděpodobné), nebo ve vnějším dosahu galaxie byla nějaká další záležitost, kterou jsme prostě neviděli.

Tento průlomový výsledek, i když ne první, který by naznačoval existenci temné hmoty, povzbudil vědce, aby tuto záležitost začali brát vážně. A i když fyzici stále bojují o detekci částic temné hmoty v laboratoři, astronomové měli obrovský úspěch při podpoře jejich existence.

Shluky galaxií také vykazují důkaz temné hmoty. Zkreslené galaxie lemují okraje gravitační čočky Abell 1689, cluster galaxií ve vzdálenosti 2, 2 miliardy světelných let na Panně. Fialové překrytí na tomto snímku Hubbleova kosmického dalekohledu ukazuje distribuci tmavé hmoty v klastru, jak je určeno vlivem slabé gravitační čočky.

Od publikace Rubina a Forda z roku 1970 vědci našli řadu důkazů o temné hmotě, jako jsou rotace galaxií v klastrech, slabé gravitační čočky a neuvěřitelně rozsáhlá počítačová simulace distribuce galaxií ve vesmíru. Tato pozorování naznačují, že galaxie a dokonce i shluky galaxií jsou zachyceny v obrovských, masivních haloch temné hmoty, které se začaly scházet dříve, než začaly zářit hvězdy.

Proto se šest galaxií, které studoval Genzelův tým, ukázalo jako překvapivé.

Chybí Halos

Jedna ze šesti galaxií, které Genzel a její kolegové studovali. Levý rámeček zobrazuje nepravdivé zbarvení vodíku galaxie. Pravý rámeček ukazuje posun vodíkové alfa linie, kterou tým použil k určení rotace galaxie.
MPE

Genzel a jeho kolegové pozorovali několik stovek hvězdotvorných galaxií ve vzdáleném vesmíru (2, 5 až 8 miliard let po Velkém třesku) pomocí velmi velkého dalekohledu Evropské jižní observatoře. Galaxie jsou hmotností Mléčné dráhy nebo více, což je docela masivní vzhledem k tomu, že hledíme miliardy let zpět v čase. Galaxie také každoročně vytvářejí 50 až 200 Slunců v hodnotě hvězd, což je typická rychlost formování hvězd pro tuto kosmickou éru.

Stejně jako Rubin a Ford měřil Genzelův tým pohyb mraků vodíku. Na rozdíl od Rubina a Forda nová měření ukázala, že směrem k okraji šesti masivních galaxií tvořících hvězdy se mraky zpomalily. Průměrná data z 97 jiných (slabších) galaxií ukazují stejný výsledek.

To neznamená, že tam není nějaká temná hmota - prostě ne tolik, jak se očekávalo. Polštáře z temné hmoty, které tyto galaxie obklopují, se zdají být poněkud odřené.

Dojem tohoto umělce porovnává rotující diskové galaxie ve vzdáleném vesmíru ( vpravo ) a současnosti ( vlevo ).
ESO

Evoluce galaxií a halo

Ukázalo se, že tyto výsledky mohou říci více o cestě vývoje galaxie než o povaze temné hmoty. Počítačové simulace temné hmoty dokonce předpověděly, co pozoroval Genzel a jeho kolegové.

Jednou z možností, říká Mark Swinbank (Durham University, Velká Británie), který vytvořil názorový článek doprovázející článek Nature, je to, že temné halos těchto galaxií je stále v procesu růstu. To by však zásadně změnilo, jak vidíme vývoj galaxie, kde standardní obrázek říká, že halo jsou z velké části na místě, než se spojí plyn a hvězdy.

Další možností je, že tyto galaxie jednoduše sledujeme v rozhodující době. Genzelův tým se rozhodl pozorovat masivní hvězdné formující diskové galaxie během „kosmického poledne“, vrchol vesmíru ve hvězdné formaci. Toto jsou prastarí předchůdci „červených a mrtvých“ eliptických galaxií, které vidíme blíže k Mléčné dráze, tak přezdívané pro jejich červenější barvu a nízké rychlosti formování hvězd. Nedávné počítačové simulace Adi Zolotov (Hebrejská univerzita, Izrael a Ohio State University) a jeho kolegové ukazují, že prakticky všechny takové masivní galaxie se rychle ubírají směrem k evoluci, jejich cesta byla vyvolána jedinou událostí.

Ať už se jedná o sloučení s jinou galaxií nebo proudění plynů vstupujících do galaxie z většího kosmického webu, tato událost vyvolává výbuch hvězdných hvězd ve středu galaxie. Výsledkem bude, že masivní hvězdotvorné galaxie budou během této kosmické éry vypadat mnohem kompaktnější, než ve skutečnosti jsou - „modré nugety“, jak na ně odkazují Zolotov a kolegové. Měření rotace nuggetů tedy neodhalí úplnou halo temné hmoty kolem nich, protože pozorování pokryje pouze části galaxií, kterým dominuje normální hmota.

"[Genzel a jeho kolegové] klesající křivky rotace v masivních hvězdotvorných galaxiích jsou to, co simulace s přiblížením ve velkém rozlišení, které provedli moji spolupracovníci, a já jsem předpověděl, " říká Joel Primack (Kalifornská univerzita v Santa Cruz), spoluautor na Zolotovově papíru.

Otázka rozlišení

Stojí za zmínku, že jiné simulace, jako jsou Illustris a Eagle, neprovádějí stejnou předpověď, ale Primack poukazuje na to, že by to mohlo být kvůli jejich moudřejšímu pohledu. Simulace celého vesmíru je bitva mezi rozlišením, objemem a časem pokrytým versus výpočetní čas. Zatímco simulace Illustris a Eagle mohou vidět prvky napříč až 3 000 světelných let (například nedokážou rozeznat oblasti vytváření hvězd), výpočetně nákladnější simulace, do kterých jsou zapojeny Primack a Zolotov, mohou vidět detaily tak jemné jako 60 světelné roky.

"Oba jsou užitečné, " říká Primack, "ale abyste zjistili, co se skutečně děje uvnitř těchto galaxií, musíte skutečně simulovat tato prostředí s vysokým rozlišením."