Temná hmota hrála v raném vesmíru méně zásadní úlohu než dnes

Nová pozorování naznačují, že v nejvýznamnějším období vzniku galaxií – před deseti miliardami let – byly hmotné galaxie s aktivními procesy formování hvězd dominantně tvořeny běžnou (baryonovou) hmotou. To je však v příkrém kontrastu se současnými galaxiemi, u kterých pozorujeme mnohem významnější vliv temné hmoty.

Běžnou hmotu pozorujeme v podobě jasně svítících hvězd, zářícího plynu a oblaků prachu. Ale nepolapitelná temná hmota nevyzařuje, nepohlcuje ani neodráží elektromagnetické záření. Její existenci tak pouze odvozujeme z jejího gravitačního působení. Přítomností temné hmoty je možné vysvětlit například rychlost rotace vnějších částí spirálních galaxií, která je vyšší, než by odpovídalo pozorovanému rozložení běžné hmoty.

Reinhard Genzel z Institutu Maxe Plancka a mezinárodní tým jeho spolupracovníků využili přístroje KMOS a SINFONI pracující ve spojení s dalekohledem VLT k měření rotace šesti hmotných galaxií s probíhající hvězdotvorbou ve vzdáleném vesmíru.

Temná chyba v rotaci

Výsledky pozorování vědce překvapily: Na rozdíl od spirálních galaxií v současném vesmíru rotují vnější okraje těchto vzdálených galaxií pomaleji než oblasti blíže středu, což by mohlo naznačovat, že je v nich přítomno méně temné hmoty.

Disky spirálních galaxií se otáčejí s periodou v řádu stovek milionů let. V jádrech galaxií je vysoká koncentrace hvězd, která ale klesá směrem k okrajům. Pokud by hmota v galaxii byla tvořena pouze běžnou hmotou, pak by řidší vnější oblasti měly rotovat mnohem pomaleji než husté vnitřní oblasti. Pozorování nedalekých galaxií však ukazují, že jejich vnitřní i vnější oblasti ve skutečnosti rotují prakticky stejnou rychlostí. Tyto takzvané „ploché rotační křivky“ ukazují, že spirální galaxie musí obsahovat velké množství nezářící látky, která obklopuje disk galaxie.

Tento nový výsledek nezpochybňuje potřebu temné hmoty jako základní součásti vesmíru nebo její celkové množství. Spíše naznačuje, že temná hmota byla v okolí diskových galaxií v minulosti rozložena jinak, než je tomu v současnosti.

„Rychlost otáčení překvapivě není konstantní, ale u těchto galaxií klesá se vzdáleností od středu,“ říká Reinhard Genzel, hlavní autor článku v časopise Nature. „A jsou pro to pravděpodobně dvě příčiny. Jednak je většina těchto mladých galaxií dominantně tvořena běžnou hmotou a temná hmota zde tím pádem hraje mnohem méně zásadní úlohu než v současnosti. A za druhé, tyto mladé diskové galaxie byly mnohem bouřlivějším prostředím než spirální galaxie, které pozorujeme dnes v našem kosmickém okolí.“

Evoluce temné hmoty

Oba efekty se zdají být tím nápadnější, čím hlouběji se astronomové dívají do minulosti raného vesmíru. Zdá se tedy, že v období asi 3 až 4 miliardy let po velkém třesku již došlo k dostatečnému zhuštění plynu do podoby plochého rotujícího disku, zatímco okolní halo temné hmoty bylo mnohem větší a více rozptýlené. Temné hmotě tedy zřejmě zhuštění trvalo o miliardy let déle, a proto je její dominantní efekt na rotační křivky galaxií pozorovatelný až v současnosti.

Toto vysvětlení je ve shodě s dalšími pozorováními, která ukazují, že mladé galaxie byly mnohem bohatší na plyn a byly také kompaktnější než ty současné.