Mohou opravdu červení trpaslíci zrušit potřebu temné hmoty?

9. 12. 2010 / Vladimír Wagner

a dále:

To se zdá indikovat, že výsledky naznačují, že množství temné hmoty potřebné pro popis našeho vesmíru by mělo být nevýznamné a snad i třeba žádné. Tedy, že jde o jisté popření současného standardní kosmologického modelu. V originálním textu anglicky psaného populárního článku je však napsáno trochu něco jiného:

I v populárním článku je psáno, že pozorování vedoucí k většímu počtu červených trpaslíků se týká pouze jednoho typu galaxií. Jedná se velmi svítivé eliptické galaxie. Ty jsou sice největší a nejhmotnější, ale jsou relativně vzácné (například v Místní skupině galaxií není ani jedna). Odhady počtu červených trpaslíku ve spirálních galaxiích (naší Galaxii) se nezměnily. Jde také o nárůst počtu těch nejméně hmotných hvězd, takže nárůst celkové hmotnosti hvězd v eliptické galaxii je daleko menší. Značnou část hmotnosti normální hmoty v galaxiích také tvoři plyn a prach.

Pokud má čtenář jenom trochu přehled o tématice, tak navíc ví, že většina normální hmoty je rozprostřena v mezigalaktickém prostoru v kupách galaxií a to v podobě plynu. Stejně tak je v mezigalaktickém prostoru i většina temné hmoty. Případné snížení podílu temné hmoty v jednom z typů galaxií tak nemůže příliš ovlivnit odhad podílu různých komponent hmoty ve vesmíru, tedy zhruba 4 % normální hmoty (převážně v podobě plynu), 22 % temné hmoty a 74 % temné energie.

Ovšem i v anglické verzi populárního článku jsou dopady objevu značně nadnesené a zkreslené. To zjistíme pohledem do originální práce, která vyšla v časopise Nature. Pokud nemáte volný přístup k Nature, lze článek nalézt v databázi arXiv (článek arxiv:1009.5992v1). Zde se již autoři omezují na to, že v závěru říkají:

Autoři tak v závěru své práce říkají pouze, že v centrálních oblastech blízkých masivních galaxií (mají na mysli čtyři velké eliptické galaxie, které zkoumali) jejich výsledky vedoucí k rychlejšímu zvyšování počtu hvězd s poklesem hmotnosti (jejich průběh zmíněné IMF -- Initial Mass Function) a tedy k velkému počtu červených trpaslíků vyžadují relativně nízký podíl temné hmoty. Ovšem v kontextu s tím, že největší podíl temné hmoty se předpokládá ve vnějších oblastech galaxií a ty reprezentují největší část objemu i hmotnosti galaxie, je i řečeno, že dané výsledky nemohou ovlivnit velký význam temné hmoty ani v tomto typu galaxii a už vůbec ne v celém vesmíru.

Navíc je třeba poznamenat, že projevy temné hmoty jsou patrné i ve fluktuacích reliktního záření a evoluci galaxií. Jsou také vesmírné procesy, které ukazují, že projevy přičítané temné hmotě nemohou být nahrazeny změnou popisu gravitačního síly na velkých vzdálenostech. Musela by klesat pomaleji než s kvadrátem vzdálenosti. Taková možnost byla také uvažována a probíhaly pokusy o modifikaci Newtonovy gravitační teorie nebo Einsteinovy obecné teorie relativity. Potvrzením, že takto nelze temnou hmotu vyřadit ze hry například pozorování srážky kup galaxií.

Jak už jsem poznamenal, většina normální hmoty je v podobě plynu rozprostřeného v celé kupě. Jeho hustota je velmi malá, daleko menší než je hustota plynu v samotných galaxiích. Ovšem objem je tak velký, že celková jeho hmotnost je několikanásobkem celkové hmotnosti samotných galaxií kupy. Při srážce dvou kup galaxií dochází ke tření (elektromagnetické interakci) mezi plynem srážející se dvojice kup. Plyn je tak zbrzděn a opožďuje se za pohybem galaxií (ty jsou kompaktní a tření v plynu druhé kupy na ně působí minimálně) a temné hmoty (ta elektromagneticky neinteraguje a plyn druhé kupy ji neovlivní vůbec). Dospěje se tak k roztřídění jednotlivých komponent kupy galaxie. Vpředu se pohybují galaxie a temná hmota a teprve za nimi a po dostatečné době dost daleko plyn. Pak stačí zjistit, která z komponent má největší gravitační vliv. Třeba pozorováním gravitačního zakřivování světla vzdálených objektů, které leží až za zkoumanými kupami galaxií. Protože plyn mezi galaxiemi má daleko větší hmotnost než galaxie, byl by v případě neexistence temné hmoty (platnosti modifikovaného gravitačního zákona) maximální gravitační vliv v místě oblaku plynu. Pokud temná hmota existuje, musí být maximální gravitační vliv v místě galaxií, které se pohybují v daném případě stejným způsobem jako temná hmota. Podrobněji je toto pozorování, poprvé učiněné před čtyřmi lety, populární ale detailnější formou popsáno v článku pro časopis Vesmír. Velmi pěkný a podrobný populární článek o temné hmotě, asi nejlepší, který jsem v češtině četl, je od Pavla Brože ZDE.

Jak je vidět, je popsaný objev získaný při zkoumání velkých eliptických galaxií velmi zajímavý. Ukazuje, že závislost počtu hvězd na jejich hmotnosti může být v různých typech galaxií i velmi různá. Zdá se, že počet hvězd ve vesmíru byl podceněna. Je třeba však poznamenat, že je to počet málo hmotných hvězd. Velmi zajímavé to může být v případě, že se ukáže možnost při správné vzdálenosti planety od červeného trpaslíka získat na této planetě podmínky pro život. To by mohlo vést ke zvýšení pravděpodobnosti existence mimozemského života. Ovšem to jsou zatím úvahy velmi spekulativní. Právě naopak je jasné, že dané pozorování neohrožuje standardní kosmologický model a nutnost předpokladu existence temné hmoty. Podrobnější informace o kosmologických modelech a hypotézách je ZDE. Pokud jsou za temnou hmotou zatím hypotetické elementární částice, tak by jejich existenci mohl v dohledné době prokázat urychlovač LHC. Jeho nejnovější výsledky, získané za první rok činnosti, jsou shrnuty ZDE a ZDE.