Vliv temné hmoty na vývoj galaxií v raném vesmíru byl méně významný

ESO 009/17 tisková zpráva

Pozorování vzdálených galaxií pomocí VLT naznačují, že v nich dominovala běžná hmota

Nová pozorování naznačují, že v nejvýznamnějším období vzniku galaxií – před deseti miliardami let – byly hmotné galaxie s aktivními procesy formování hvězd dominantně tvořeny běžnou (baryonovou) hmotou. To je však v příkrém kontrastu se současnými galaxiemi, u kterých pozorujeme mnohem významnější vliv záhadné temné hmoty. K tomuto překvapivému výsledku astronomové dospěli na základě pozorování provedených pomocí dalekohledu ESO/VLT. Z výsledků vyplývá, že temná hmota hrála v raném vesmíru méně zásadní úlohu, než dnes. Výzkum byl prezentován ve čtveřici samostatných článků, jeden z nich byl publikován tento týden v prestižním vědeckém časopise Nature.

Běžnou hmotu pozorujeme v podobě jasně svítících hvězd, zářícího plynu a oblaků prachu. Ale nepolapitelná temná hmota (dark matter) nevyzařuje, nepohlcuje ani neodráží elektromagnetické záření. Na její existenci pouze usuzujeme na základě jejího gravitačního působení. Přítomností temné hmoty je možné vysvětlit například rychlost rotace vnějších částí spirálních galaxií (spiral galaxies), která je vyšší, než by odpovídalo pozorovanému rozložení běžné hmoty [1].

Reinhard Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Německo) a mezinárodní tým jeho spolupracovníků využili přístroje KMOS a SINFONI pracující ve spojení s dalekohledem ESO/VLT (Very Large Telescope) [2] k měření rotace šesti hmotných galaxií s probíhající hvězdotvorbou ve vzdáleném vesmíru (ve vrcholném období formování galaxií před 10 miliardami let).

To, co objevili, bylo nečekané: na rozdíl od spirálních galaxií v současném vesmíru rotují vnější okraje těchto vzdálených galaxií pomaleji, než oblasti blíže středu, což by mohlo naznačovat, že je v nich přítomno méně temné hmoty, než se očekávalo [3].

„Rychlost otáčení překvapivě není konstantní, ale u těchto galaxií klesá se vzdáleností od středu,“ říká Reinhard Genzel, hlavní autor článku v časopise Nature. „A jsou pro to pravděpodobně dvě příčiny. Jednak je většina těchto mladých galaxií dominantně tvořena běžnou hmotou a temná hmota zde tím pádem hraje mnohem méně zásadní úlohu, než v současnosti. A za druhé, tyto mladé diskové galaxie byly mnohem bouřlivějším prostředím, než spirální galaxie, které pozorujeme dnes v našem kosmickém okolí.“

Oba efekty se zdají být tím nápadnější, čím hlouběji se astronomové dívají do minulosti raného vesmíru. Zdá se tedy, že v období asi 3 až 4 miliardy let po velkém třesku (Big Bang) již došlo k dostatečnému zhuštění plynu do podoby plochého rotujícího disku, zatímco okolní halo temné hmoty bylo mnohem větší a více rozptýlené. Temné hmotě tedy zřejmě zhuštění trvalo o miliardy let déle, proto je její dominantní efekt na rotační křivky galaxií pozorovatelný až v současnosti.

Schéma znázorňuje rotující diskové galaxie v současnosti (vlevo) a v mladém vesmíru (vpravo). Pozorování provedená pomocí dalekohledu ESO/VLT naznačují, že galaxie s takto hmotnými disky s probíhajícím vývojem hvězd byly v mladém vesmíru méně ovlivňovány temnou hmotou (vykreslena červeně), která byla méně koncentrována. Následkem takového rozložení rotovaly vnější části těchto galaxií pomaleji, než srovnatelné partie stejného typu galaxií v současném vesmíru. Jejich rotační křivky mají klesající trend v závislosti na vzdálenosti od středu, místo aby byly ploché.

Toto vysvětlení je ve shodě s dalšími pozorováními, která ukazují, že mladé galaxie byly mnohem více bohaté na plyn a kompaktnější, než ty současné.

Šestice galaxií zkoumaných v této studii byla součástí rozsáhlejšího vzorku asi stovky vzdálených diskových galaxií s probíhajícím formováním hvězd, které byly zkoumány pomocí přístrojů KMOS a SINFONI ve spojení s dalekohledem ESO/VLT (Very Large Telescope) pracujícím na observatoři Paranal v Chile. Jako doplněk k měření jednotlivých galaxií, popsanému výše, byla na základě slabého signálu ostatních sledovaných galaxií spočtena také průměrná rotační křivka. Ta ukázala stejný profil poklesu rychlosti rotace směrem od centra. Další dvojice studií, postavená na pozorování 240 disků s probíhající hvězdotvorbou, tyto závěry rovněž podporuje.

Detailní modelování ukazuje, že zatímco běžná hmota tvoří v průměru asi polovinu hmotnosti galaxií, v případě galaxií s vysokým rudým posuvem naprosto dominantně určuje jejich dynamiku.

Zdroj

Poznámky

[1] Disky spirálních galaxií se otáčejí s periodou v řádu stovek milionů let. V jádrech galaxií je vysoká koncentrace hvězd, která ale klesá směrem k okrajům. Pokud by hmota v galaxii byla tvořena pouze běžnou hmotou, pak by řidší vnější oblasti měly rotovat mnohem pomaleji, než husté vnitřní oblasti. Pozorování nedalekých galaxií však ukazují, že jejich vnitřní i vnější oblasti ve skutečnosti rotují prakticky stejnou rychlostí. Tyto takzvané „ploché rotační křivky“ (rotation curves) ukazují, že spirální galaxie musí obsahovat velké množství nezářící látky – v podobě hala temné hmoty (dark matter halo), které obklopuje disk galaxie.      

[2] Analyzovaná data byla získána pomocí zařízení KMOS a SINFONI, která pracují ve spojení s dalekohledem ESO/VLT na observatoři Paranal v Chile v rámci přehlídkových programů KMOS3D a SINS/zC-SINF. Jedná se o první takto rozsáhlou studii dynamiky velkého vzorku galaxií s rudými posuvy v intervalu z=0,6 až z=2,5 (tedy v rozmezí pěti miliard let vývoje vesmíru). 

[3] Tento nový výsledek nezpochybňuje potřebu temné hmoty jako základní součásti vesmíru nebo její celkové množství. Spíše naznačuje, že temná hmota byla v okolí diskových galaxií v minulosti rozložena jinak, než je tomu v současnosti.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku s názvem „Strongly baryon dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago” autorů R. Genzel a kol., který byl publikován v časopise Nature.

Složení týmu: R. Genzel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo; University of California, Berkeley, USA), N.M. Förster Schreiber (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), H. Übler (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), P. Lang (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), T. Naab (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Německo), R. Bender (Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), L.J. Tacconi (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), E. Wisnioski (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), S.Wuyts (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo; University of Bath, Bath, UK), T. Alexander (The Weizmann Institute of Science, Rehovot, Izrael), A. Beifiori (Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), S.Belli (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), A.Burkert (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Německo; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo) C. M. Carollo (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich, Švýcarsko), J. Chan (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), R. Davies (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), M. Fossati (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo), A. Galametz (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo), S. Genel (Center for Computational Astrophysics, New York, USA), O. Gerhard (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), D. Lutz (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo), J. T. Mendel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo), I. Momcheva (Yale University, New Haven, USA), E. J. Nelson (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Germany; Yale University, New Haven, USA), A. Renzini (Vicolo dell'Osservatorio 5, Padova, Itálie), R.Saglia (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo), A. Sternberg (Tel Aviv University, Tel Aviv, Izrael), S. Tacchella (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich, Švýcarsko), K.Tadaki (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo) a D. Wilman (Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Německo; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Německo)

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a hostící stát Chile. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a také dva další přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem na světě, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Paranalu v oblasti Cero Armazones staví ESO nový dalekohled E-ELT (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope), který se stane „největším okem hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• Vědecký článek 1
• Vědecký článek 2
• Vědecký článek 3
• Vědecký článek 4
• Snímky dalekohledu VLT

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Reinhard Genzel; Director, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 30000 3280; Email: genzel@mpe.mpg.de

Natascha M. Forster Schreiber; Senior Scientist, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 30000 3524; Email: forster@mpe.mpg.de

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org