Jak Fritz Zwicky upozornil na chybějící hmotu v kupách galaxií?
Fritz Zwicky (1898–1974) ve třicátých letech porovnal pohyb galaxií v kupě Coma s její odhadovanou hmotností. Vyšlo mu, že svítící galaxie samy nevysvětlují potřebnou gravitaci. Jeho úvaha patří k významným počátkům dnešního výzkumu temné hmoty, nikoli k určení její částicové podstaty.
© / kredit: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv / fotograf neuveden · Zdroj · · Public domain · Úpravy: zmenšení, rámeček a kredit.
Galaxie uvnitř kupy nejsou nehybné
Kupa galaxií obsahuje mnoho galaxií, horký plyn a další hmotu. Její členové se pohybují ve společném gravitačním poli. Z jejich spekter lze zjistit složku pohybu směrem k nám či od nás.
Zwicky v roce 1933 zkoumal rychlosti galaxií v kupě Coma, v souhvězdí Vlasů Bereniky. Zajímalo ho, jak velkou hmotnost by kupa potřebovala, aby odpovídala pozorovanému rozptylu rychlostí. Rozptyl zde znamená, o kolik se rychlosti jednotlivých galaxií liší od společného průměru.
Jak se z pohybu odhaduje hmotnost
U soustavy, která je přibližně v dlouhodobé gravitační rovnováze, lze propojit typické rychlosti jejích členů, velikost soustavy a celkovou hmotnost. Tuto souvislost zachycuje viriálová věta. Rychlejší pohyby ve stejně velké vázané soustavě obecně vyžadují silnější gravitaci.
Zwickyho odhad gravitační hmotnosti výrazně převyšoval tehdejší odhad hmotnosti svítících galaxií. Odtud argument pro dodatečnou temnou hmotu, tedy hmotu, kterou neodhalilo sečtené světlo. Jeho použití však stálo na předpokladech o stavu kupy a na tehdejších vzdálenostech a měřeních.
Proč nepřebíráme původní čísla beze změny
Od Zwickyho doby se odhady vzdáleností i hmotností zpřesnily, a proto dnes poměr mezi hmotností kupy a její svítící složkou vychází jinak. Dozvěděli jsme se také mnohem více o složkách kup. Velkou část jejich běžné hmoty tvoří horký řídký plyn, výrazný zejména v rentgenovém záření.
Část chybějící hmotnosti tedy může být běžná látka, která ve světle hvězd nevyniká. Ani po jejím zahrnutí však v obvyklém gravitačním popisu nevysvětlíme celou hmotnost kup. Zwickyho výsledek upozornil na hmotu, kterou tehdejší pozorování nezachytila. Otázka, z čeho se tato hmota skládá, otevřela další směr výzkumu. Dnes vědci mimo jiné hledají dosud neobjevené druhy částic, které by mohly tvořit temnou hmotu.
Jiná zkouška než rotační křivky galaxií
Zwicky sledoval pohyb galaxií uvnitř kupy. Vera Rubinová a Kent Ford později studovali oběh látky uvnitř jednotlivých galaxií. Jde o různé velikosti soustav a různé soubory měření.
Dnes se přidává gravitační čočkování, výzkum horkého plynu, reliktní záření a vznik struktur. Schéma níže připomíná současný test při srážce kup: světelná mapa plynu a mapa gravitačně působící hmotnosti nemusejí mít stejné rozložení. Jde o další výzkum, nikoli o Zwickyho původní metodu.
Schéma ukazuje rozložení galaxií, horkého plynu a hlavních koncentrací hmotnosti po srážce dvou kup galaxií. Modré oblasti znázorňují hmotnost odvozenou z gravitačního čočkování, tedy z ohybu světla vzdálenějších objektů. Obrázek zjednodušeně zachycuje typické uspořádání známé například z kupy Bullet Cluster.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Co přesahovalo samotnou otázku temné hmoty
Zwicky působil na Caltechu a observatoři Palomar. S Walterem Baadem přispěl také k rozlišení supernov a k představě, že při takovém výbuchu může vzniknout neutronová hvězda. Podílel se na systematickém vyhledávání supernov a katalogizaci galaxií a kup.
Jeho kosmologický přínos proto nespočívá v osamoceném vyslovení jedné hypotézy. Spojoval pohyb, světlo a rozložení objektů do otázek, které dále prověřují přesnější měření. Současný soubor argumentů shrnuje téma o důkazech temné hmoty.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Pohyb může odhalit hmotu, kterou součet světla nezachytí. Zwickyho práce otevřela tuto otázku na úrovni kup galaxií; dnešní vysvětlení musí obstát i v dalších, nezávislých testech.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)