Jedna z věcí, které na astronomii miluji, je to, jak se rychle mění a vyvíjí v průběhu času. Každý den se objevují nové objevy a pokroky v teoriích, které nás postupně posouvají vpřed v našem chápání vesmíru.
Jedním z nejlepších příkladů je temná hmota; tajemná a neviditelná, ale významná část vesmíru a tvořící drtivou většinu hmoty tam venku.
Poprvé byla teoretizována téměř před 100 lety, když astronomové zkoumali celkovou hmotnost vzdálených kup galaxií a zjistili, že viditelná hmota, kterou můžeme vidět, musí být jen zlomkem celkového materiálu v kupách. Když sečtete hvězdy a plyn, galaxie se pohybují a rotují způsobem, který naznačuje, že je obklopuje obrovské halo neviditelné hmoty.
Některé z nejlepších důkazů pocházejí od Very Rubinové a Kenta Forda v 60. a 70. letech, kdy měřili rotační rychlost spirálních galaxií s okrajem. Odhadli, že temné hmoty musí být asi 6krát více než běžné hmoty.
Tento snímek NASA Hubble Space Telescope ukazuje rozložení temné hmoty ve středu obří kupy galaxií Abell 1689
Temná hmota se stala vážnou záhadou v astronomii a mnoho pozorovatelů a teoretiků strávilo poslední půlstoletí snahou přijít na to, co to je.
A temná hmota se nevzdala svých tajemství snadno. Původně se astronomové domnívali, že ve skutečnosti nemusí jít o neviditelnou hmotu, ale o nepochopení toho, jak gravitace funguje v největších měřítcích.
Ale během několika posledních desetiletí byly vyvinuty techniky využívající gravitaci samotné temné hmoty k měření toho, jak ohýbá světlo ze vzdálenějších objektů. Astronomové nevědí, co je temná hmota, ale jsou schopni ji použít jako dalekohled. Nyní je to působivé.
Našli úžasné rysy v síti temné hmoty tam venku, obrovské stěny a vlákna definující největší struktury ve vesmíru. Shluky, kde se od sebe oddělila temná hmota a její plyn.
Pamatujte, že jsme na špici této záhady a vy ji sledujete v reálném čase. Za 25 let ode dneška jsem si jistý, že se podíváme zpět na naše kuriózní pokusy porozumět temné hmotě.
Jedna z nejzajímavějších otázek, kterou teď mám, je: mohly by existovat galaxie temné hmoty? Zcela neviditelné pro naše oči, ale schopné interagovat prostřednictvím gravitace?
Distribuce temné hmoty v Supercluster Abell 901/902
Samozřejmě v takových chvílích rád přivedu zvonění. Někdo, kdo zasvětil svůj život studiu těchto otázek.
A dnes jsem se se svou Sarah Pearsonovou, postgraduální studentkou astronomie na Kolumbijské univerzitě a hostitelkou „ Vesmír se Sarah “. Sarah studuje formování a interakce trpasličích galaxií obklopujících Mléčnou dráhu, aby pochopila, jak se galaxie vytvářely v nejstarších dobách ve vesmíru a formovaly velké galaxie, které vidíme dnes.
Fraser:Sarah, vítejte v Průvodci vesmírem.
Sarah:Ahoj Frasere, děkuji.
Fraser:Můžete trochu pohovořit o tom, jak astronomové mapují rozložení temné hmoty ve vesmíru?
Sarah:Ano, určitě. Takže to je těžká otázka, jak jste právě vysvětlil, nevidíme temnou hmotu. Ale jeden předpoklad o vesmíru, ve kterém žijeme, je, že světelná hmota nebo baryonická hmota. Například to, z čeho se skládáte vy, já a hvězdy, a také galaxie, trochu vystopují, kde se nachází temná hmota.
Takže jeden předpoklad je, že světlá hmota následuje temnou hmotu. Tímto způsobem můžeme skutečně zmapovat obrovské vzdálenosti, jak se galaxie a kupy galaxií nacházejí v našem vesmíru. A my si představujeme, že struktura temné hmoty je poněkud podobná.
Simulace temné hmoty. Obrazový kredit: NASA
A také nedávno, velmi rozsáhlé simulace struktury našeho vlastního vesmíru to řešily tak, že začaly s téměř rovnoměrným rozložením temné hmoty ve velmi raném vesmíru. A to, co vidí, je, když nechají vesmír vyvíjet se v čase, například když se vesmír rozpíná, máte tak trochu tyto shluky temné hmoty formující se do galaxií ve všech těchto vláknech, o kterých jste mluvili.
Můžete tak trochu vysledovat umístění temné hmoty pochopením expanze vesmíru versus gravitace, která vytváří galaxie, které vidíme.
Fraser:A z pozorování vím, že vidíte tato různá rozložení hmoty a temné hmoty, není to dokonalé rádio 1:6, o kterém jsem se právě zmínil. Ve skutečnosti vidíte shlukování temné hmoty, která je někdy oddělena od běžné hmoty. Takže můžete mít vlastně celé galaxie, které jsou celé tvořeny temnou hmotou?
Sarah:Ano, to je jedno z témat, které mě velmi baví. Pracuji na některých z těchto galaxií pouze s temnou hmotou a způsob, jakým o tom můžete přemýšlet, je takový, že temná hmota je v raném vesmíru téměř rovnoměrně rozložena. Ale některé z nich jsou o něco hustší než jiné části, které se zhroutí do galaxií. A mnoho z těchto galaxií bude ve skutečnosti mnohem menší než Mléčná dráha. A protože jsou tak malí, je pro ně těžké udržet věc v sobě.
Jasná mladá hvězda září Uznání: NASA/JPL-Caltech
Myslíme si, že když se v těchto galaxiích zapne tvorba hvězd, můžete ve skutečnosti vyfouknout spoustu plynu, který by mohl vytvořit další hvězdy, ale temnou hmotu nevyfouknete. To znamená, že byste mohli skončit s těmito malými malými galaxiemi, které mají pouze temnou hmotu. Mohou mít nějaký plyn, ale pro nás astronomy je velmi těžké je najít.
Fraser:No, pokud jsou temnou hmotou a temná hmota je neviditelná, jak je najdeme?
Sarah:Oh, skvělá otázka. Takže například kolem naší vlastní galaxie Mléčná dráha, podle našeho současného paradigmatu kosmologie a způsobu, jakým přemýšlíme o vesmíru, by ve skutečnosti měly existovat tisíce shluků temné hmoty, těchto galaxií temné hmoty, které obíhají naši vlastní galaxii.
Umělcův dojem temné hmoty obklopující Mléčnou dráhu. (ESO/L. Calçada)
Některé z nich mohou být zničeny, když projdou obrovským diskem Mléčné dráhy, to je jeden ze způsobů, jak je zničit. Ty menší mohou být zničeny právě přílivem a odlivem, když obíhají kolem galaxie. Předpokládáme však, že někteří z nich by mohli přežít. Ve skutečnosti se mohou prodírat tím, čemu říkáme hvězdné proudy, které se tvoří, když skutečná galaxie spadne do naší vlastní Mléčné dráhy a přílivově se roztáhne. Měli byste být schopni vidět tyto hustotní signatury ve hvězdném proudu, a to by mohlo naznačovat, jaký typ halo temné hmoty se jimi prodíral.
Fraser:Naznačil jsi způsob, jak by se mohly tvořit. Máte tyto hvězdy, protože se brzy formují a oddělují a shluk temné hmoty je nemůže udržet, takže tato část je pryč. Je to hlavní způsob, jak by se mohly vytvořit, existují jiné způsoby, jak získat tyto temné galaxie?
Sarah:Jiná hypotéza je, že pokud máte AGN, aktivní galaktická jádra v galaxii z černé díry, mohli byste ve skutečnosti tímto způsobem vyfouknout spoustu plynu také z galaxie. Ale nám astronomům stále není jasné, jaký typ galaxií a zda malé galaxie budou mít tato aktivní galaktická jádra.
Dojem tohoto umělce ukazuje okolí supermasivní černé díry v srdci aktivní galaxie NGC 3783 v jižním souhvězdí Kentaura (Kentaur). Kredit: ESO/M. Kornmesser
Takže nejlepší teorií v současnosti je, že některé z nich mohly zpočátku přitahovat hodně plynu, protože neměly velkou gravitaci, aby mohly plyn vtáhnout. Ale také proto, že tento plyn je zcela ztracen. Vlastně také z explodujících hvězd, nejen z hvězd, které se zpočátku rozsvítily.
Fraser:A vím, že astronomové a fyzici se pokoušejí hledat temnou hmotu ve Velkém hadronovém urychlovači a snaží se zjistit, zda mohou porozumět základní částici. Dává nám hledání, na kterém pracujete, nějaký smysl pro základní povahu temné hmoty?
Sarah:Jo, taky skvělá otázka, protože například jestli je temná hmota studená. Paradigma studené temné hmoty je nyní velmi populární. Což říká, že temná hmota může být velmi hmotná slabě interagující částice. Když říkáme teplá nebo studená temná hmota, máme také na mysli, jak rychle se pohybuje. A v závislosti na tom, jaký druh částic temná hmota je, tento druh určuje strukturu raného vesmíru.
Takže můžeme začít počítat, pokud máme studenou temnou hmotu, očekávali bychom, že uvidíme určité množství těchto studených temných galaxií, kde by toto množství bylo jiné, kdybychom měli teplou temnou hmotu.
Mezinárodní superkryogenní hledání temné hmoty (SuperCDMS) odhalilo, co může být částice, o které se předpokládá, že tvoří temnou hmotu v celém vesmíru.
Fraser:To je opravdu skvělé, takže pozorování, která děláte, dávají fyzikům lepší představu o tom, co by měli hledat ve svých urychlovačích částic, a obě strany mohou spolupracovat. To je opravdu skvělé.
Dobře, Sarah, vsaďte si. Jaký je podle vás nejpravděpodobnější kandidát na temnou hmotu?
Sarah:Stále si myslím, že je to těžká otázka a nejsem si jistý, jestli si částicoví fyzici myslí, že jim pomáháme. Stále k věcem přistupujeme z různých stran, ale uvidíme.
Stále si myslím, že to bude jedna z těch slabě interaktivních masivních částic, které jsme zatím nezjistili.
Fraser:Mockrát vám děkuji, že jste se ke mně připojili v Průvodci vesmírem Sarah, opravdu si vážím toho, že nám vysvětlujete tyto galaxie temné hmoty.
Tak tady to máte. Temná hmota je zvláštní, zvláštní věc. Stále nevíme, co to je, ale můžeme vidět, jak se pohybuje, interaguje s hmotou prostřednictvím své gravitace. A můžeme vidět, jak může vytvořit celé galaxie pouze temné hmoty.
Velké díky Sarah Pearsonové. Pokud jste to ještě neudělali, podívejte se na její kanál YouTube: Space with Sarah. Zabývá se velkými tématy, jako je zvědavost, kdy se Slunce vypne, jak velký je vesmír a jak se mohou galaxie srazit v rozpínajícím se vesmíru.
Podcast (audio): Stažení (Trvání: 9:37 – 3,3 MB)
Předplatit: Apple podcasty | RSS
Podcast (video): Stažení (Trvání: 9:40 – 126,0 MB)
Předplatit: Apple podcasty | RSS