První simulace vzniku galaxií bez temné hmoty

Simulovaná distribuce plynů a nejmladších hvězd v čase 1,5 miliardy let. Barevnost reprezentuje hustotu plynů (světlejší = vyšší), body znázorňují hvězdy vzniklé za posledních 50 milionů let. Šířka zobrazení odpovídá zhruba 40 kiloparsekům.

Výzkumníci z univerzit v Bonnu, Praze a Štrasburku poprvé nasimulovali vesmír, v němž vznikají galaxie bez přítomnosti temné hmoty. V rámci počítačové simulace uplatnili modifikovanou newtonovskou dynamiku (MOND) navrženou Mordehaiem Milgromem. Galaxie vznikající v takto definovaném prostředí se podobají těm, které pozorujeme ve skutečném vesmíru. Vědci předpokládají, že by jejich výsledky mohly přispět k řešení řady otázek moderní kosmologie.

Současní kosmologové vycházejí z předpokladu, že se hmota po velkém třesku nešířila rovnoměrně. Hustší místa pak díky silnější gravitaci přitahovala další hmotu ze svého okolí. Z nahromaděných shluků prachu a plynů se měly v průběhu miliard let vyvinout dnešní galaxie. Důležitou součástí této teorie je přitom takzvaná temná hmota. Ta by měla být příčinou počátečního nerovnoměrného rozdělení a současně objasňovat některá jinak těžko vysvětlitelná pozorování. Některé hvězdy se totiž v rotujících galaxiích pohybují tak rychle, že by se z nich správně měly odtrhnout. Musí na ně proto působit dodatečný zdroj gravitace, jakýsi neviditelný „hvězdný tmel“ – temná hmota.

Přímý důkaz o existenci temné hmoty se však dosud nepodařilo získat. „Mnohá pozorování svědčí o tom, že temná hmota ve vesmíru vlastně není. Gravitační síly musí tedy působit jinak, než se myslelo,“ říká prof. Pavel Kroupa z Univerzity v Bonnu a Univerzity Karlovy. Podle teorie MOND odpovídá přitažlivost Newtonovým zákonům jen do určitého bodu. Při velmi nízkých zrychleních, která v galaxiích převažují, se gravitace chová odlišně a je silnější. Díky tomu se galaxie svým otáčením nerozpadají.

„Ve spolupráci s dr. Benoitem Famaeyem ve Štrasburku jsme nyní poprvé nasimulovali, zda a jaké by se v MOND vesmíru tvořily galaxie,“ dodává Kroupův doktorand Nils Wittenburg. Podle modifikované dynamiky závisí přitažlivost tělesa nejen na jeho vlastní hmotnosti, ale také na dalších tělesech v jeho blízkosti. K modelování posloužil počítačový program pro komplexní výpočty gravitace vyvinutý v Kroupově skupině.

Software při simulování vzniku hvězd a galaxií vycházel z oblaku plynu v čase několik set tisíc let po velkém třesku. „Výsledky jsou v mnoha aspektech pozoruhodně blízko tomu, co můžeme skutečně pozorovat,“ uvádí Kroupa. V počítačem generovaných galaxiích odpovídá rozmístění hvězd i jejich rychlost stejným vzorcům, které jsou k vidění na noční obloze. „V naší simulaci vznikaly především rotující diskové galaxie podobné Mléčné dráze a téměř všem ostatním velkým galaxiím, které známe,“ upřesňuje Kroupa. „V simulacích s temnou hmotou oproti tomu převažují galaxie s tlustými disky, což je těžko vysvětlitelný rozpor s pozorováními.“

Výpočty, které vycházejí z existence temné hmoty, jsou navíc velmi citlivé vůči změnám určitých parametrů – třeba četnosti vzniku supernov a jejich vlivu na distribuci hmoty v galaxiích. V MOND simulacích tyto faktory nehrají téměř žádnou roli.

Nicméně ani nyní zveřejněné výsledky z Bonnu, Prahy a Štrasburku neodpovídají realitě ve všech bodech. „Naše simulace je pouze první krok,“ zdůrazňuje Kroupa. Zatím se podařilo potvrdit jen velmi jednoduché předpoklady týkající se prapůvodního rozdělení hmoty a podmínek v mladém vesmíru: „Musíme výpočty zopakovat a zanést do nich také složitější vlivové faktory. Nejdůležitější bude propočítat takové modely, ve kterých budou galaxie pomalu shromažďovat plyny tak, jak to pozorujeme. I původ těchto plynů si ještě žádá objasnění. Pak uvidíme, jestli teorie MOND opravdu popisuje skutečnost.“

Publikace:
Nils Wittenburg, Pavel Kroupa und Benoit Famaey: The formation of exponential disk galaxies in MOND. Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/2002.01941