Simulace vrhá světlo na galaxie bez temné hmoty

Distribuce plynu v malé oblasti (1,31 milionu světelných let x 0,56 milionu světelných let) v simulaci Illustris-1. Slapové trpasličí galaxie jsou bez temné hmoty (červené kroužky), zatímco v primordiálních trpasličích galaxiích temná hmota převažuje (modré kroužky). Pro přehlednost nejsou zvýrazněny všechny galaxie s převažující temnou hmotou. Zdroj: Illustris-1 Simulation, RG Kroupa/University of Bonn

Podle standardního kosmologického modelu (označovaného též LCDM), tvoří temná hmota až 80 procent vesmíru. Funguje jako lepidlo držící galaxie pohromadě: Silnou gravitací jim brání, aby se zničily vlastními odstředivými silami. Neplatí to ovšem o všech galaxiích. "V roce jsme 2012 jsme stanovili, že některé druhy galaxií musí být prosté temné hmoty, nebo jí mít nedostatek," vysvětluje prof. Pavel Kroupa z Univerzity Karlovy a Univerzity v Bonnu. "Díky simulaci Illustris nyní můžeme rozpoznat simulované trpasličí galaxie bez temné hmoty a tím ověřit teorii dvojích trpasličích galaxií. Jde o nejmodernější simulaci vývoje galaxií, která je zároveň jednou z největších."

Ve srovnání s "normálními" galaxiemi, jako jsou naše Mléčná dráha nebo Andromeda, jsou trpasličí galaxie mnohem menší a obsahují jen zhruba 100 milionů hvězd. Mléčná dráha má oproti tomu stovky miliard hvězd. Ve standardním kosmologickém modelu je většina trpasličích galaxií primordiálních, tj. vzniklých kondenzací plynu krátce po velkém třesku. Tyto trpasličí galaxie jsou obklopeny těžkými oblaky temné hmoty, které se zformovaly ještě před zrozením prvních hvězd.

Trpasličí galaxie bez temné hmoty jsou kompaktnější

Trpasličí galaxie bez temné hmoty se formují během srážek dvou masivních galaxií, při nichž působí obrovské slapové síly vyhánějící plyn z krajních oblastí interagujících galaxií. Uvolněný plyn pak tvoří shluky, které průběžně narůstají a produkují hvězdy. "Jsou-li tyto objekty dostatečně hmotné, říkáme jim slapové trpasličí galaxie," vysvětluje Moritz Haslbauer. "Vzhledem k jejich zvláštnímu způsobu vzniku, obsahují tyto druhy trpasličích galaxií velmi málo temné hmoty nebo ji neobsahují vůbec." Astrofyzici nyní ověřili teorém dvojích trpasličích galaxií v simulaci Illustris, v níž našli oba druhy galaxií – s převládající temnou hmotou i bez ní.

"Studie ukazuje, že slapové trpasličí galaxie se v standardním kosmologickém modelu formují tak, jak jsme očekávali. Potřebujeme systematická pozorování, abychom našli více trpasličích galaxií v různých prostředích a důkladně prozkoumali jejich vlastnosti k ověření predikcí standardního modelu," říká Dr. Behnam Javanmardi z IRFS v Teheránu a Pařížské observatoře. Se stávajícími pozorováními jsou výsledky simulace v rozporu. Simulované primordiální trpasličí galaxie dané hmotnosti mají větší poloměry než simulované slapové trpasličí galaxie. Slapové galaxie se totiž formují bez pomoci temné hmoty a aby zůstaly svázané gravitací, musí být mnohem více kompaktní než trpasličí galaxie s velkým množstvím temné hmoty. To odporuje pozorováním. "Všechny známé trpasličí galaxie mají podobný poměr hmoty vůči poloměru. Tak významné velikostní rozdíly ve skutečném vesmíru nevidíme," vysvětluje dr. Jörg Dabringhausen z Univerzity Karlovy.

Podle prof. Kroupy nesoulad se standardním kosmologickým modelem naznačuje, že temná hmota pravděpodobně neexistuje. Dosud jde jen o hypotetický koncept, který slouží k vysvětlení určitých pozorování. Přímo detekována nikdy nebyla. "Očekáváme, že newtonovská gravitace k správnému popisu galaxií nestačí. Místo domýšlení temné hmoty předpokládáme, že Newtonův gravitační zákon není platný v galaktickém měřítku a musí být upraven," vysvětluje Indranil Banik z Univerzity v Bonnu. "Modifikovaná newtonovská dynamika by navíc vysvětlovala, proč všechny pozorované trpasličí galaxie mají podobný poměr hmoty k poloměru, pokud by žádná z nich neobsahovala temnou hmotu."

Publikace:
M. Haslbauer, J. Dabringhausen, P. Kroupa, B. Javanmardi and I. Banik: Galaxies lacking dark matter in the Illustris simulation; Astronomy & Astrophysics; https://arxiv.org/abs/1905.03258