Pochybnosti o temné hmotě a malých galaxiích

Nedávno se ale objevil kontroverzní názor, že to temná hmota sama o sobě nepůsobí. Astrofyzikové se přou o tzv. teorii MOND, modifikovanou newtonskou dynamiku. Podle MOND se efekt gravitace mění v místech, kde je její síla slabá. Je-li to pravda, je vysvětlení vztahu mezi rychlostí rotace a hmotností převážně plynných galaxií snadnější než pokoušet se o to pomocí působení temné hmoty.

Teorie temné hmoty, vytvořená k vysvětlení chybějící hmoty vesmíru, totiž nefunguje, aplikujeli se na rotující galaxie. Podle Isaaka Newtona je gravitační síla mezi dvěma tělesy přímo úměrná jejich hmotnostem a nepřímo úměrná čtverci jejich vzdálenosti. Proto by se dlouhá ramena spirálních galaxií měla otáčet dál od středu stále pomaleji, podobně, jako je to u planet naší sluneční soustavy. Jenže hmota v rotujících galaxiích uhání v podstatě stejnou rychlostí jak blízko u jádra galaxie, tak na její periferii.

Ve standardním modelu vesmíru (tak, jak ho vysvětlují současné znalosti) je tato záhada vysvětlována přítomností temné hmoty – má být soustředěna do tzv. hala kolem galaxie, takže svou gravitační silou roztáčí vnější součásti galaxie.

Naproti tomu teorie MOND, poprvé formulovaná roku 1983 Mordechajem Milgromem z izraelského Weizmannova institutu v časopise Astrophysical Journal, dosavadní zákony gravitace mění. Je-li prý slabá, působí jinak, než bychom předpokládali.

MOND do fyziky přidává novou konstantu – a0. Nad ní funguje Newtonův zákon, jak jsme zvyklí. Ovšem při hodnotách pod touto konstantou gravitace upadá se vzdáleností hmoty, ne se čtvercem vzdálenosti. Konstanta a0 je zřejmě tak malá, že si jí vědci při poměrně vysokých zrychleních kolem nás dosud nepovšimli. K vysvětlení může posloužit příklad míče padajícího k zemi. V takové situaci je gravitační síla stomiliardkrát silnější než konstanta a0, ale zrychlení pohybu Země kolem Slunce je padesátmiliónkrát silnější. Ovšem při extrémně nízkých hodnotách zrychlení, jako je tomu právě u galaxií či kup galaxií, je vliv konstanty na výsledné gravitační síly už významný.

Popření „posvátné“ formulace gravitace zcela pochopitelně vyvolalo pobouření, takže teorie našla mezi vědci jen hrstku zastánců. Ovšem nezapadla, protože v některých případech „sedí“ naprosto přesně.

Osvém ověřování teorie MOND na příkladu trpasličích galaxií v sousedství Mléčné dráhy informoval na astronomické konferenci v Belfastu v roce 2008 Gary Angus z Univerzity sv. Ondřeje. Zaměřil se na dva klíčové parametry osmi malých galaxií – na poměr hmotnosti kmnožství vyzářeného světla a na oběžné dráhy hvězd těchto galaxií – a známé hodnoty porovnal s výsledky odpovídajícími výpočtům podle teorie MOND.

„U šesti z osmi zkoumaných galaxií údaje seděly velice přesně. Dvě nám ovšem dělají problém,“ shrnul výsledky Angus.

V případě galaxie v souhvězdí Draka Angus vysvětluje nesoulad s MOND skutečností, že objekt padá k naší Mléčné dráze rychlostí 300 km za sekundu. Zřejmě na ni působí gravitace naší Galaxie natolik, že slapové síly Draka trhají.

Slaboučce svítící trpasličí galaxie v Sextantu může být stejný případ – působení slapových sil, ale Angus nevyloučil ani nesprávnost výchozích údajů o svítivosti objektu.

V posledním čísla časopisu Physical Review Letters se MOND zastal Stacy McGaugh z Marylandské univerzity. I on tvrdí, že studium galaxií charakteristických malým počtem hvězd a velkým množstvím plynů kontroverzní teorii potvrzují.

Dosavadní práce jsou založeny na tzv. Tully-Fisherově metodě, která umožňuje určit vzdálenost spirálních galaxií pomocí jejich rotace a absolutní hvězdnou velikostí. Nehledě na to, že princip tohoto vztahu není znám, je tu ještě úskalí stanovení velikosti galaxie – odvozuje se od světla (záření) vydávaného jejími hvězdami. Toto záření ale hodně kolísá podle toho, kolik hvězd je v galaxii a jakého jsou typu.

McGaugh se zaměřil na 47 málohvězdných galaxií. Prokázal, že vztah mezi hmotností a rychlostí rotace těchto útvarů je snadno spočitatelný pomocí teorie MOND, ale při započítání klasického množství temné hmoty jsou výsledky méně přesvědčivé.

„Přistupoval jsem k problému s cílem teorii MOND definitivně vyvrátit,“ připustil McGaugh. „K mému překvapení to ale byla ideální metoda k vysvětlení paradoxu rychlosti rotace.“ Teorie MOND dokázala vysvětlit poměry v každé malé galaxii, kterou studoval. „Ovšem když šlo o velké útvary, třeba galaktické skupiny, tak se k výsledkům bez přiznání temné hmoty dojít nedalo,“ připustil.

„Čím větší je objekt, který zkoumáte, tím méně je u něj teorie MOND použitelná,“ konstatoval už o tři roky dříve Angus. „V obřích systémech shluků tisíců galaxií je zřejmě něco, čemu ještě nerozumíme.“ Tady se gravitační působení temné hmoty podle astrofyzika jeví jako realistický předpoklad.

Temná hmota vítězí. Od loňského ledna dokonce přibyla další charakteristika té „naší“ kolem Mléčné dráhy. Vypadá prý jako zmáčknutý plážový míč. Loni v lednu to na největším setkání astronomů ve Washingtonu oznámil David Law z Kalifornské univerzity v Los Angeles.

„Nemůžeme ji vidět přímo, ale můžeme ji vystopovat podle toho, jak působí na hvězdné struktury, na hvězdokupy či na trpasličí galaxie v okolí Mléčné dráhy,“ připomenul Law ve svém vystoupení na 215. konferenci Americké astronomické společnosti. „Takže ji najdeme, budeme-li sledovat zpátky do minulosti dráhy hvězdokup a trpasličích galaxií.“

Law se zaměřil na trpasličí galaxii v souhvězdí Střelce, protože je o ní nejvíc informací. Aby našel stopy temné hmoty kolem Mléčné dráhy, zrekonstruoval dráhy jednotlivých hvězd, které se z galaxie Střelce vychýlily, když procházela kolem naší Galaxie. Jenže něco nesedělo. Ony „vytažené“ hvězdy nebyly tam, kde by podle gravitačního působení temné hmoty, která podle převládajícího názoru měla víceméně kopírovat tvar galaxie, být měly.

Po složitých výpočtech se ukázala jednoduchá odpověď – galaktické halo „naší“ temné hmoty (kulovitá oblast výskytu osamocených velmi starých hvězd zasahující až do vzdálenosti 100 tisíc světelných let od jádra galaxie, stejná struktura se dá předpokládat u temné hmoty příslušné Mléčné dráze) nemá sférický tvar, ale je stlačené v rovině Mléčné dráhy.

„Je to trochu zvláštní, netušíme, proč je halo užší v bocích, a ne nad naší Galaxií a pod ní,“ připustil Law.

Možná se vesmír řídí ještě dalšími zákony, o kterých zatím nic netušíme.