Má Mléčná dráha problém? Měření družice Gaia naznačují závažné důsledky pro kosmologii

Mléčná dráha patří mezi spirální galaxie a jako každý takový objekt monumentálně rotuje v prázdnotě vesmíru. Plyn, prach a její hvězdy včetně Slunce obíhají kolem galaktického centra se supermasivní černou dírou rychlostí kolem 220 km/s, až na centrální oblasti či naprosté okraje hvězdného ostrova.

Pokud by Mléčná dráha obsahovala pouze běžnou hmotu, měla by rotační rychlost stálic a dalších objektů se vzdáleností od galaktického centra nápadně klesat. Ve skutečnosti k tomu však prakticky nedochází. Stejná situace navíc panuje i v mnoha jiných galaxiích, jež vědci studovali. Právě uvedený rozpor mezi fyzikálními modely a pozorováním podnítil vznik teorie o existenci temné hmoty, kterou sice nevidíme ani ji nedokážeme přímo detekovat, ale její přítomnost v Mléčné dráze i dalších vesmírných ostrovech vyvolává zmíněnou anomálii v rotaci hvězd kolem galaktického centra.

Líné hvězdy

Ještě nedávno vše popsané platilo. Pak ovšem kosmologové zjistili, že je s Mléčnou dráhou něco špatně. Nová měření rotačních rychlostí hvězd na její periferii totiž ukazují, že se stálice nechovají podle modelů zahrnujících temnou hmotu: Pohybují se kolem galaktického centra podstatně pomaleji než jejich „kolegyně“ v podobných oblastech srovnatelných galaxií.

Jedno z možných vysvětlení pozorovaného „loudání“ stálic v Mléčné dráze by mohlo znít, že je náš vesmírný domov výjimečně chudý na temnou hmotu, která – pokud existuje – ovlivňuje pohyb hvězd kolem centra ostatních galaxií. Bylo by to zvláštní a vznikala by otázka, čím je to způsobeno. Proč se právě Mléčná dráha chová odlišně? Jenže další možnost je snad ještě horší: Mohlo by to znamenat, že s konceptem temné hmoty, jenž tvoří stěžejní téma kosmologie a celé fyziky posledních dekád, je něco zásadně v nepořádku.

Výjimečná Gaia

Zneklidňující novinky, které možná zkazily náladu řadě předních vědců, pocházejí z měření unikátní evropské družice Gaia. Její výjimečnost spočívá v tom, že se jedná o astrometrickou observatoř. A k jejím hlavním úkolům patří velmi přesné zmapování poloh téměř dvou miliard hvězd v Mléčné dráze, především v našem sousedství.

Výstupem se tak stávají nesmírně cenná data, která v poslední době pomohla k řadě zásadních objevů ve výzkumu Galaxie. Předloni v létě zveřejnil tým observatoře Gaia dosud nejdetailnější a nejobsáhlejší soubor měření, označovaný jako DR3. A podobné údaje si doslova říkají o důkladné analýzy. Několik vědeckých skupin se tedy nezávisle na sobě pustilo do studia pohybu stálic na vnějším okraji Mléčné dráhy a všechny dospěly k víceméně stejnému závěru: Hvězdy na periferii se cestou kolem galaktického centra loudají a není jasné proč.

Pracné, ale přínosné

Rychlosti pohybu hvězd v galaxii, vyjádřené tzv. rotační křivkou, zároveň představují příležitost k odhadu hmoty dotyčného hvězdného ostrova. Gravitační síla, která na každou z nich působí, se totiž odvozuje z celkové látky galaxie, tedy včetně temné hmoty. Jde o pracný postup, ale vyplatí se: Odborníci už takto poměrně věrohodně odhadli hmotnost nejedné naší galaktické sousedky, slavnou galaxii v Andromedě nevyjímaje.

Yongjun Jiao z francouzské výzkumné agentury CNRS a jeho spolupracovníci měli daný vztah na paměti a využili data z observatoře Gaia k odhadu celkové hmoty Mléčné dráhy. Z jejich studie zveřejněné vloni v časopise Astronomy & Astrophysics vyplynulo, že veškerá látka naší Galaxie – tedy plyn, prach, hvězdy, planety a podobné objekty společně s temnou hmotou – odpovídá asi 200 miliardám sluncí.

Potíže s Mléčnou dráhou

Pro normálního smrtelníka jde o stěží představitelný údaj, pro vědce však znamená pohromu. Je totiž zhruba pětkrát nižší než předchozí seriózní odhady. Jak je to možné? Podle astronomů z Mléčné dráhy nic nezmizelo: Pozorujeme stejné hvězdy, stejná mračna kosmického plynu a prachu. Proto se jako vysvětlení nabízí možnost, že naše Galaxie obsahuje mnohem méně temné hmoty, než jsme si donedávna mysleli.

Jestliže se tedy nejedná o chybu, budou možná odborníci muset pozměnit naše představy o fungování vesmíru – což by vyvolalo další potíže a dnešní kosmologický model Lambda-CDM by se mohl otřást v základech. Popsané obavy sdílí také Stacy McGaugh z Case Western Reserve University v americkém Clevelandu, podle nějž by mohlo všechno skončit revolucí v kosmologii.

Zhruba stejně rychle

V 70. letech minulého století se měřením pohybu hvězd v galaxiích zabývala především americká astronomka Vera Rubinová se svými kolegy. Původně očekávali, že se budou periferní stálice pohybovat kolem galaktického centra pomaleji než jejich protějšky kroužící blíž. Počítali s obdobou Sluneční soustavy, kdy Neptun coby nejvzdálenější planeta oběhne Slunce jednou za 165 let, zatímco nejbližší Merkur absolvuje jeden okruh za 88 dnů.

Rubinová a její spolupracovníci však zjistili, že hvězdy ve vnější oblasti daného ostrova obíhají kolem galaktického centra zhruba stejně rychle jako stálice pohybující se k němu blíž. Naznačovalo to, že se v galaxiích nachází kromě běžné hmoty i ohromné množství látky, jež se projevuje gravitací, ale naše přístroje ji nevidí. A její gravitační působení brání hvězdám na periferiích obíhat pomaleji. Vědci myšlenku zkoumali ze všech stran a časem dospěli k představě, že temná hmota vytváří gigantická hala, která obklopují prakticky každý hvězdný ostrov. Objevily se přitom odhady, že ve velkých galaxiích převyšuje zmíněná materie viditelnou látku asi desetkrát a v těch trpasličích až stokrát.

Přesně podle Keplera

Už před pár lety se „nesměle“ ozval italský teoretický fyzik Francesco Sylos Labini, když s kolegy zachytil náznaky potíží s rychlostmi hvězd na periferii Mléčné dráhy. Data ze souboru DR3, který Gaia poslala předloni, jsou však již natolik přesná, že se problém projevil v plné síle. Astronomy fascinovalo, že podle měření družice se stálice v Galaxii chovají „keplerovským způsobem“, tedy že jejich rychlost se vzdáleností od centra klesá. Podobají se tím vlastně planetám Sluneční soustavy, jejichž pohyby jako první detailně popsal právě Johannes Kepler v 17. století.

Podle Françoise Hammera z Observatoire de Paris, který byl členem Jiaova týmu, momentálně neznáme žádnou další galaxii, jejíž hvězdy by dál od centra vykazovaly popsaný „keplerovský“ pokles rychlosti – což ovšem odporuje představě Mléčné dráhy jako tuctové spirální galaxie, která se od ostatních nijak zvlášť neliší. Zároveň je jasné, že problematické rychlosti a související odhad látky v Galaxii zásadně komplikují naše představy o temné hmotě. 

Astronomové považují za velmi pravděpodobné, že viditelná látka v Mléčné dráze odpovídá zhruba 60 miliardám sluncí. Pokud je nový odhad hmotnosti našeho vesmírného ostrova v hodnotě 200 miliard sluncí správný, znamenalo by to, že v něm existuje extrémně nízký hmotnostní poměr temné a viditelné hmoty, konkrétně asi 2,3 : 1 – čili mnohem méně než u jiných „spirál“, kde jsme podobné údaje zjišťovali.

Zkreslení v datech?

Někteří odborníci věří, že rychlosti hvězd, jež se nacházejí od observatoře dál, stále trpí určitým zkreslením výsledků. Viníkem by tedy byla Gaia. K podobným optimistům patří také Lina Necibová z MIT, členka dalšího z týmů, jež se záležitostí zabývaly. Údajně by ji velmi překvapilo, kdyby problém s rychlostí stálic obíhajících na periferii Mléčné dráhy přetrval v dalších várkách dat, která se od družice očekávají.

Necibová se opírá o dřívější pozorování: Například Velký Magellanův oblak leží asi 160 tisíc světelných let od centra Mléčné dráhy a představuje její satelitní galaxii. Obíhá ji přitom rychlostí zhruba 280 km/s, tedy plně v souladu se standardními modely temné hmoty. Další důkazy nabízejí hvězdné proudy neboli zbytky trpasličích galaxií a hvězdokup, které se ocitly k Mléčné dráze příliš blízko a její gravitační síla je roztrhala na kusy. Parametry hvězdných proudů každopádně odpovídají dřívějším představám o materiálu v naší Galaxii, jež zahrnují i spoustu temné hmoty.

Je možné, že palčivou potíž ohrožující dnešní kosmologické modely s temnou hmotou rozlousknou nová zařízení – například Vera C. Rubin Observatory, jež vyrůstá na chilské hoře El Peñón a v provozu by měla být v létě 2025. Na konci téhož roku se očekává i zveřejnění dalšího souboru dat z observatoře Gaia, která budou ještě přesnější a mohla by celou záležitost vyjasnit. Pak se doufejme ukáže, jak je to s rychlostmi stálic na okraji Galaxie doopravdy.