Nový pohled na povahu temné hmoty

Podstata temné (skryté) hmoty, která podle všeho představuje nejméně 23 % hmotnosti a energie vesmíru, je stále ještě jednou z největších neobjasněných záhad současné vědy. Nedostatek experimentálních důkazů, které by umožnily odlišit elementární částice předpověděné teoretiky, stejně jako nedávné odhalení gravitačních vln uvolněných při srážce dvou černých děr (jejich hmotnosti zhruba 30× převyšovaly hmotnost Slunce) pomocí detektorů LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) oživilo zájem o možnost, že by temnou hmotu mohly představovat primordiální černé díry o hmotnostech v rozmezí 10 až 1000 hmotností Slunce.

Prvotní černé díry, které by mohly mít původ ve velmi hustých fluktuacích hmoty v průběhu prvních okamžiků po vzniku vesmíru, jsou v podstatě velmi zajímavé: a to nejen jako protiklad k těm, které vznikly z kolabujících hmotných hvězd, jejichž hojnost a hmotnost je limitována modely vzniku a vývoje hvězd. Primordiální černé díry se mohou vyskytovat v širokém rozmezí hmotností a četnosti. Mohly by být objeveny v halo kolem galaxií a příležitostně se mohou dvě z nich setkat, přičemž následuje jejich splynutí za vzniku gravitačních vln, které pak jsou registrovány například aparaturou LIGO.

Efekt mikročočkování

Pokud by zde existovalo určité množství černých děr nacházejících se v galaktickém halo, některé z nich by mohly jako čočka zesílit světlo, které k nám přichází ze vzdálených kvasarů. Protože mají silné gravitační pole, jejich přitažlivost by mohla soustředit přicházející světlo a způsobit zvýšení jasnosti kvasarů. Tento efekt známý jako „gravitační mikročočkování“ je tím větší, čím větší je hmotnost černé díry; pravděpodobnost detekce tohoto efektu tak může být vyšší s četnějším výskytem černých děr. Protože černé díry nemohou být přímo pozorovány, můžeme registrovat jejich přítomnost právě na základě zaznamenaného zvýšení jasnosti vzdálených kvasarů.

Na základě tohoto předpokladu využila skupina vědců efekt mikročočkování kvasarů a pokusila se odhadnou četnost prvotních černých děr v galaxiích střední hmotnosti. Studie, jejímž vedoucím byl Evencio Mediavilla Gradolph z Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) a University of La Laguna (ULL), ukázala, že efekty mikročočky rovněž způsobují normální hvězdy podobné Slunci, které dokonce převyšují výskyt velké populace prvotních černých děr střední hmotnosti.

Počítačové simulace

V rámci počítačových simulací se porovnávalo zvýšení jasnosti ve viditelném světle a v oboru rentgenového záření u 24 vzdálených kvasarů s odhady předpovídaného efektu mikročočkování. Bylo zjištěno, že intenzita efektu je relativně nižší, než bylo očekáváno u objektů s hmotnostmi mezi 0,05 až 0,45 hmotnosti Slunce a dost nízká u středně hmotných černých děr. Jejich závěry tak ukazují, že s vysokou pravděpodobností to jsou normální hvězdy a ne primordiální černé díry, které jsou zodpovědné za pozorované mikročokování.

„Tato studie naznačuje,“ říká Evencio Mediavilla, „že není zcela pravděpodobné, aby černé díry s hmotnostmi mezi deseti a stonásobkem hmotnosti Slunce představovaly podstatnou část temné hmoty. Z tohoto důvodu černé díry, které navzájem splynuly a byly v poslední době několikrát detekovány aparaturou LIGO, pravděpodobně vznikly v důsledku kolapsu hvězd a ne jako primordiální černé díry.“

Temná hmota v galaktických kupách

Kupy galaxií jsou největšími známými útvary ve vesmíru obsahující tisíce galaxií a horký plyn. Avšak mnohem důležitější je, že obsahují záhadnou temnou hmotu, která představuje asi 23 % celkové hmoty a energie vesmíru. Současné modely temné hmoty předpovídají, že kupy galaxií mají velmi hustá jádra obsahující velmi hmotné galaxie, které se nemohou v centru kupy pohybovat. Avšak na základě výzkumu desítky kup galaxií David Harvey (EPFL's Laboratory of Astrophysics) se svými spolupracovníky z Francie a Velké Británie zjistil, že hustota galaxií je zde mnohem nižší než předpokládaná a že galaxie v centru kupy se ve skutečnosti pohybují.

Každá galaktická kupa obsahuje galaxie, které jsou jasnější než ostatní, trefně pojmenované „nejjasnější galaxie kupy“ (brightest cluster galaxy, zkráceně BCG). Nedávné důkazy ze simulací exotické nestandardní temné hmoty ukazují, že BCG se skutečně pohupují dlouho po tom, co se kupa galaxií „zklidnila“, a to jako pozůstatek „kymácení“ způsobeného splynutím hmotných galaktických kup.

Astronomové porovnávali svá pozorování s předpověďmi na základě souboru dat kosmologických hydrodynamických simulací BAHAMAS (BAryons and HAloes of MAssive Systems) a zjistili, že ani ve dvou případech nenastala shoda. Podle standardního modelu temné hmoty (nazvaného „cold dark matter“ – chladná temná hmota) by toto pohupování nemělo existovat, protože obrovská hustota temné hmoty drží galaxie pevně „svázané“ v centru kupy. Tento nesouhlas tak možná ukazuje na přítomnost dosud neznámé fyziky, kterou nutno vzít v potaz.

Astronomové rozšíří své výzkumy na základě velké přehlídky kup galaxií například s vypuštěním plánované kosmické observatoře Euclid. Doufají, že se jim tak podaří potvrdit současné objevy a rovněž určit, jaký je původ pohybu galaxií BCG ve studovaných kupách.

Zdroj: https://phys.org/news/2017-03-nature-dark.html a https://phys.org/news/2017-10-evidence-dark-exotic.html

autor: František Martinek