Tmavá hmota a vývoj galaxií

Vplyv tmavej hmoty na vývoj galaxií v ranom vesmíre nebol taký významný, ako ho pozorujeme v súčasnosti. Vedci dospeli k týmto záverom na základe nových pozorovaní získaných pomocou ďalekohľadu VLT (Very Large Telescope) na Cerro Paranal v Čile.

Nové pozorovania naznačujú, že v najvýznamnejšom období vzniku galaxií – pred desiatimi miliardami rokov – boli hmotné galaxie s aktívnymi procesmi formovania hviezd dominantne tvorené bežnou (t. j. baryónovou) hmotou. To je však v ostrom kontraste so súčasnými galaxiami, pri ktorých pozorujeme oveľa významnejší vplyv záhadnej tmavej hmoty. K tomuto výsledku astronómovia dospeli na základe pozorovaní vykonaných pomocou ďalekohľadu VLT (Very Large Telescope) na Cerro Paranal v Čile. Z výsledkov vyplýva, že tmavá hmota hrala v ranom vesmíre menej zásadnú úlohu než v súčasnosti.

Nečakaný objav vo vesmíre

Nové výsledky autori prezentovali v štyroch samostatných článkoch. Bežnú hmotu pozorujeme v podobe svietiacich hviezd, žiariaceho plynu a oblakov prachu (t. j. hmlovín). Nepolapiteľná tmavá hmota (angl. dark matter) však nevyžaruje, nepohlcuje, ba ani neodráža elektromagnetické žiarenie. Na jej existenciu usudzujeme len na základe jej gravitačného pôsobenia. Prítomnosťou tmavej hmoty je možné vysvetliť napríklad rýchlosť rotácie vonkajších častí špirálových galaxií, ktorá je vyššia, než by zodpovedalo pozorovanému rozloženiu bežnej hmoty. Reinhard Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, SRN) a medzinárodný tím jeho spolupracovníkov využili prístroje KMOS a SINFONI, pracujúce v spojení s ďalekohľadom VLT, na meranie rýchlosti rotácie šiestich hmotných galaxií s prebiehajúcou hviezdotvorbou vo vzdialenom vesmíre (vo vrcholnom období formovaní galaxií pred 10 miliardami rokov). To, čo objavili, bolo nečakané: na rozdiel od špirálových galaxií v súčasnom vesmíre rotujú vonkajšie okraje týchto vzdialených galaxií pomalšie než oblasti bližšie k stredu, čo by mohlo naznačovať, že je v nich menej tmavej hmoty, než sa očakávalo. Rýchlosť otáčania prekvapivo nie je konštantná, ale pri týchto galaxiách klesá s rastúcou vzdialenosťou od stredu, hovorí Reinhard Genzel, hlavný autor článku v časopise Nature. A má to pravdepodobne dve príčiny. Po prvé, väčšina týchto mladých galaxií je dominantne tvorená bežnou hmotou a tmavá hmota tu preto hrá oveľa menej zásadnú úlohu než v súčasnosti. A po druhé, tieto mladé diskové galaxie boli oveľa búrlivejším prostredím než špirálové galaxie, ktoré pozorujeme v súčasnosti v našom kozmickom okolí.

Tmavá hmota hustla dlhšie

Obidva efekty sa zdajú byť tým nápadnejšie, čím hlbšie sa astronómovia pozerajú do minulosti raného vesmíru. Zdá sa teda, že v období asi tri až štyri miliardy rokov po Veľkom tresku už došlo k dostatočnému zhusteniu plynu do podoby plochého rotujúceho disku, zatiaľ čo okolité halo tmavej hmoty bolo oveľa väčšie a viac rozptýlené.

Záhadná tmavá hmota, ktorá tvorí asi polovicu hmotnosti galaxií, v prípade veľmi vzdialených galaxií neurčuje dominantne ich dynamiku.

Tmavej hmote teda zrejme zhustenie trvalo o miliardy rokov dlhšie, preto je jej dominantný efekt na rotačné krivky galaxií pozorovateľný až v súčasnosti. Toto vysvetlenie je v zhode s ďalšími pozorovaniami, ktoré ukazujú, že mladé galaxie boli oveľa bohatšie na plyn a kompaktnejšie než tie súčasné. Šestica galaxií skúmaných v tejto štúdii bola súčasťou rozsiahlejšej vzorky asi stovky vzdialených diskových galaxií s prebiehajúcim formovaním hviezd. Ako doplnok k už opísanému meraniu jednotlivých galaxií bola na základe slabého signálu ostatných sledovaných galaxií vypočítaná aj priemerná rotačná krivka. Tá ukázala rovnaký profil poklesu rýchlosti rotácie smerom od centra. Detailné modelovanie ukazuje, že zatiaľ čo bežná hmota tvorí priemerne asi polovicu hmotnosti galaxií, v prípade galaxií s vysokým červeným posuvom (t. j. veľmi vzdialených galaxií) úplne dominantne určuje ich dynamiku.

RNDr. Zdeněk Komárek
ilustrácia autor