Když se střetnou dva objekty z běžné hmoty, tak to skončí srážkou. Ale co se stane, když do sebe narazí dva obří objekty tvořené podivnou temnou hmotou? Tak detailně jako nyní to zatím vědci neměli nikdy šanci pozorovat.
Miliardy světelných let od Země se srazili dva nepopsatelní obři. Narazily do sebe dvě masivní kupy galaxií, složené z tisícovek galaxií, a v každé z nich jsou stovky milionů hvězd. Jenže tentokrát astronomy výjimečně nezajímalo, co vidí. Sledovali s napětím to, co vidět nemohli – temnou hmotu.
Vědci pozorovali tuto událost pomocí několika dalekohledů, vesmírných i pozemských. Některá pozorování jsou stará celé desítky let, ale úplná analýza vznikala až v posledních letech a výsledky teď vyšly v odborném časopise The Astrophysical Journal.
Kupy galaxií patří k těm vůbec největším strukturám ve vesmíru, které jsou spojené gravitací. Většina jejich hmotnosti ale není tvořená normální hmotou, jak ji známe a z níž je složená Země, Slunce a třeba i lidské tělo. Z té je pouhých patnáct procent hmoty v těchto kupách. Zbývajících pětaosmdesát procent tvoří temná hmota, která není viditelná. Astronomové mohli poprvé sledovat, jestli při srážce reaguje jinak obyčejná a jinak temná hmota.
Když se srazí miliardy hvězd
Během této supersrážky, která je vlastně lidskými měřítky nepopsatelná, zůstaly samotné galaxie z velké části nepoškozené. Důvodem je to, že galaxie jsou ve skutečnosti neskutečně „řídké“ objekty: většinou je to totiž prázdný prostor, případně kosmický prach. Opravdových hmotných těles, jako jsou hvězdy nebo exoplanety, je jenom špetka.
Když se obrovské zásoby plynu mezi galaxiemi složené z normální hmoty srazily, plyn se rozbouřil a přehřál. Zatímco veškerá hmota, včetně normální i temné hmoty, na sebe vzájemně působí prostřednictvím gravitace, normální hmota na sebe působí také prostřednictvím elektromagnetických sil, které ji při srážce zpomalily. A vědci tak mohli pozorovat u události s označením MACS J0018.5+1626 přesně to, co předpokládali ve svých modelech: zatímco normální hmota se po nárazu zastavila, temná hmota v každém shluku proplouvala dál.
Vizualizace srážky dvou kup galaxií: normální hmota je zobrazena oranžově, temná modře:
Ze dvou objektů, jež se srazily, se tak vlastně staly tři: hmota dvou kup galaxií se spojila v jeden objekt, zatímco obě temné hmoty pokračovaly dál v původním pohybu vesmírem. S pomocí metafory by se to dalo popsat jako duchové, kteří opustí při smrti tělo.
- Lidé žijí v prostoru, který je tvořený hmotou – tedy atomy. Ty ale tvoří jen asi 4,6 procenta kosmu.
- Dalších 23 procent kosmu je tvořeno takzvanou temnou hmotou.
- A drtivá většina vesmíru je pro lidstvo zcela neviditelná, 72 procent z něj totiž tvoří takzvaná temná energie.
Něco takového se nesmírně špatně představuje a všechny metafory a analogie jsou logicky nepřesné, už jen proto, že s temnou hmotou nemá nikdo zkušenost. Přesto to vědci zkouší. „Představte si masivní srážku několika nákladních aut, která vezou písek,“ navrhuje hlavní autorka nové studie Emily Silichová. Auta samotná se srazí a zastaví. Ale „temná hmota je jako písek a letí i potom dál vpřed“.
Takové oddělení temné a normální hmoty už vědci pozorovali dříve, nejznámější byl až doposud případ hvězdokupy Bullet. Ale nikdy ne v takovém detailu jako teď, kdy bylo zřetelně vidět, jak horký plyn zaostává za temnou hmotou poté, co se obě kupy galaxií navzájem střetly.
Jak popsat nepopsatelné
Autoři na tuto studii využili spektrograf DEIMOS Keckovy observatoře, která leží na Havaji. Pomocí něj dokázali změřit rychlost jednotlivých galaxií v kupě. To jim nepřímo napovědělo i rychlost temné hmoty, protože temná hmota a galaxie se při srážce chovají podobně.
K měření rychlosti normální hmoty neboli plynu v kupě vědci využili takzvaný kinetický Sunjajev-Zeldovičův efekt. A použili také takzvané gravitační čočkování.
Kosmickým prostorem prolétají volné elektrony o vysokých energiích. Tímto pohybem ale deformují takzvané mikrovlnné reliktní záření vesmíru jevem označovaným jako inverzní Comptonovův rozptyl. Velmi zjednodušeně tyto elektrony zkrátka urychlují pohyb fotonů.
Tento jev poprvé předpověděli dva vědci, kteří v sedmdesátých letech dvacátého století pracovali v Moskvě: Rašíd Sunjajev a Jakov Zeldovič.
Tyto srážky hvězdokup jsou vůbec nejenergetičtějším jevem od Velkého třesku, proto se dají pomocí přístrojů poměrně snadno pozorovat.
Na stopě temné hmoty
Vědci doufají, že další studie podobné této povedou v budoucnosti k novým poznatkům o stále nedostatečně pochopené povaze temné hmoty. „Tato studie je výchozím bodem k podrobnějšímu studiu podstaty temné hmoty,“ uvedli autoři výzkumu. „Máme nový typ přímého důkazu, který ukazuje, že se temná hmota chová jinak než normální.“
„Trvalo nám dlouho, než jsme poskládali všechny kousky skládačky, ale teď konečně víme, o co jde. Doufáme, že to povede ke zcela novému způsobu studia temné hmoty v kupách,“ dodává Silichová, která je sice zatím jen doktorandkou, ale tato studie jí už rozjela hvězdnou kariéru.
Stále neznámá temná hmota je klíčem k pochopení kosmu
Proč vlastně astronomům a fyzikům na této temné hmotě tak záleží? Jednak proto, že bez ní by zkrátka nefungoval současný model vesmíru, ale také proto, že má vlastnosti, které vlastně brání jejímu přímému odhalení.
- Temná hmota či skrytá hmota nebo též skrytá látka je označení hypotetické formy hmoty, jejíž existence by vysvětlovala nesrovnalosti mezi některými skutečně pozorovanými a vypočítanými hodnotami z modelů.
- O povaze chybějící hmoty existuje množství teorií, většina z nich se shoduje na faktu, že ji lze ve vesmíru pozorovat jen díky jejímu gravitačnímu vlivu na okolní objekty tvořené běžnou „svítící“ hmotou, ale sama elektromagnetické záření neemituje. Odtud její označení temná hmota.
Někteří fyzikové se její existenci brání a hledají alternativní teorie, stále je ale tím nejlepším a nejrozšířenějším vysvětlením procesů, jež vědci v kosmu pozorují.
Vědci sice vidí projevy, tedy její gravitační působení, stále ale neznají její další vlastnosti a netuší ani, kde se ve vesmíru vzala, ani z čeho je třeba tvořená. Také na obě tato témata vznikají desítky studií, kdy se například spekuluje o existenci druhého Velkého třesku, z něhož mohla prýštit jen temná hmota.
O možném složení zase nedávno psal mezinárodní tým astrofyziků, kteří se domnívají, že temnou hmotu by mohly tvořit ultralehké temné fotony, které zahřály náš vesmír.
