Astronomové zjistili, že v galaxiích raného vesmíru převládá temná hmota

Vlevo: Na kresbě je rozložení plynu ionizovaného uhlíku (C+) na stupnici hala s označením P009-10, jak ukazuje barevný snímek a černé kontury. Rozložení atomárního plynu se středem v kvazaru (velký černý křížek) je znázorněno purpurovými obrysy. Vpravo: Rychlostní pole emise C+ od -200 (modře; pohybuje se směrem k nám) do +200 (červeně; pohybuje se od nás) km/s, což naznačuje koherentní rotaci v masivním halo temné hmoty.

Mezinárodní tým vědců objevil temnou hmotu, která dominuje v halo dvou supermasivních černých děr v galaxiích vzdálených zhruba 13 miliard světelných let. Jejich studie publikovaná v časopise Astrophysical Journal přináší nový pohled na vztah mezi temnou hmotou a supermasivními černými dírami v době, kdy byl vesmír ještě velmi mladý, a na vývoj galaxií až do současnosti.

První, kdo zjistil, že temná hmota hraje v galaxiích důležitou roli, byla astronomka Vera Rubinová, která si v 70. letech 20. století všimla, že vnější části místních galaxií rotují vyšší rychlostí, než se očekávalo, a vytvářejí tak tzv. plochou rotační křivku.

Kdyby se galaxie skládaly pouze z hvězd a plynu a řídily se Newtonovými zákony, pohybovaly by se okrajové části galaxie pomaleji než maximální rychlost blíže středu galaxie. Pozorování Rubinové by dávala smysl pouze v případě, že by existovalo velké množství neviditelné hmoty, později nazvané temná hmota, která by obklopovala galaxii jako svatozář a umožňovala hvězdám a plynu kdekoliv daleko od středu galaxie pohybovat se vyšší rychlostí.

Navíc nahromadění temné hmoty tak hluboko ve vesmíru nebylo nikdy pozorováno a zůstává neznámé, přestože má zásadní význam pro naše chápání vesmíru.

Výzkumný tým vedený hostujícím výzkumníkem Kavliho institutu pro fyziku a matematiku vesmíru Tokijské univerzity (Kavli IPMU, WPI) a postgraduálním studentem Pekingské univerzity Qinyue Feiem, jehož členy jsou profesor Kavli IPMU John Silverman, Seiji Fujimoto z Texaské univerzity v Austinu a docent Kavliho institutu pro astronomii a astrofyziku Pekingské univerzity Ran Wang, studoval obsah temné hmoty v supermasivních černých dírách vzdálených asi 13 miliard světelných let.

„Vera Rubinová poskytla první důkaz temné hmoty pomocí rotačních křivek blízkých místních galaxií. My používáme stejnou techniku, ale nyní v raném vesmíru,“ řekl John Silverman.

Díky datům z radioteleskopu Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) a emisní čáře ionizovaného uhlíku (C+) se vědcům podařilo odhalit dynamiku plynu dvou hostitelských galaxií kvasarů s rudým posuvem z=6. Studiem rotačních křivek každé z galaxií zjistili, že temná hmota tvoří přibližně 60 % jejich celkové hmotnosti.

Na obrázku jsou rotační křivky vzdálených galaxií. Data v červené a modré barvě zůstávají relativně plochá (tj. vysoká), podobně jako u lokálních masivních diskových galaxií v z~0 (čárkovaná šedá čára), které k vysvětlení svých vysokých rychlostí potřebují rozšířenou temnou hmotu. Výsledky z ostatních galaxií s rudým posuvem ~2-3 (v šedých datových bodech) ukazují rotační křivku, která na okraji klesá. To vede k nízkému podílu temné hmoty.

Změny rychlosti s poloměrem v galaxii zachycuje plyn s modrým posuvem (pohybující se směrem k výzkumníkům) a plyn s rudým posuvem (vzdalující se od nás).

Zajímavé je, že rotační křivky ve vzdáleném vesmíru z minulých studií ukazují pokles v okrajových částech galaxií, což znamená nízký podíl temné hmoty. Data pořízená Feiovým a Silvermanovým týmem však ukazují plochou rotační křivku, podobnou masivním diskovým galaxiím v blízkosti Země, což naznačuje, že k vysvětlení vysokých rychlostí je zapotřebí více temné hmoty.

Zjištění týmu vrhají nové světlo na složitý vztah mezi temnou hmotou a supermasivními černými dírami. Nabízejí klíčový kousek skládačky pro pochopení toho, jak se galaxie vyvíjely od raného vesmíru až po struktury, které pozorujeme dnes.

Zdroj: https://phys.org/news/2025-02-astronomers-dark-dominating-early-universe.html

autor: František Martinek