Galaktické příběhy – objev temné hmoty

Je to jedna z nejnapínavějších kapitol astronomie. Na jejím počátku stál ve třicátých letech minulého století americký astronom Fritz Zwicky. Zjistil, že hvězdokupa Coma musí obsahuvat více hmoty než vidí jeho teleskop.

Zwicky se jen nerad držel nastavených mantinelů. Byl mimo jiné považován za nepříjemného exota, nejspíš i právem. Nezvládl pro svůj objev nadchnout ani kolegy ani veřejnost. Objev byl na 40 let smeten ze stolu.

"Popelka“ Vera Rubin

Skutečný počátek výzkumu temné hmoty spadá do 70. let. Začínající americká astronomka Vera Rubin tehdy pracovala na projektu, který zkoumal teorii o rotaci vesmíru kolem své osy. V rámci svého projektu měřila Vera Rubin směr a rychlost, kterou rotují různé galaxie. Nešlo o žádný prestižní projekt. Její práci nejspíš znali jen nejbližší spolupracovníci a téměř nikdo jí nevěnoval pozornost.

 Později projekt trochu pozměnila, svým galaxiím ale zůstala věrná. Zaměřila se na rychlost, jakou rotují v galaxii jednotlivé hvězdy.

Tímto počinem se měla navždy zapsat do dějin vědy.

Předpokládaný pohyb hvězd

Hvězdy, které rotují uvnitř galaxie by se teoreticky měly chovat stejně jako planety, které rotují uvnitř sluneční soustavy.

Čím blíže k centru, tím rychlejší by měl být jejich pohyb kolem něj. Čím vzdálenější planeta, tím slabší je gravitace, kterou na ni působí centrální hvězda. Planeta proto musí rotovat pomaleji, aby mohla v soustavě zůstat – rychlejší pohyb by ji z dané soustavy vymrštil do mezihvězdného prostoru.

Diferenciální rotace

… je pozorována, když se různé části rotujícího tělesa pohybují různou rychlostí. Takové těleso není pevné, ale jen volně složené z jednotlivých částí. Může být také tekuté. V naší sluneční soustavě vlastní diferenciální rotaci například Slunce. Pozorujeme ji také u plynového obalu planet Jupiter a Saturn.

Tato pravidla by měla platit i v galaxiích. Čím vzdálenější je hvězda od centra, tím menší je vliv galaktické gravitace. Hvězdy u okrajů galaxií by měly rotovat pomaleji než ty, které se nacházejí v centru. Tomuto jevu vědci říkají "diferenciální rotace".

Pozorování odporovala teorii

Vera Rubin sestavila pověstnou rotační křivku našeho nejbližšího galaktického souseda – galaxie v Andromedě.

Měření podle očekávání ukázala, že se hvězdy této galaxie pohybují podle zákona diferenciální rotace. Tím ale veškerá podobnost s teoretickým modelem skončila.

Astronomka zjistila, že hvězdy, které se nacházejí u okrajů soustavy,rotují stejnou rychlostí jako jejich blíže jádru galaxie umístěné sestry. Pozorovaný jev se nezměnil ani tehdy, když Vera do výzkumu přibrala další a další galaxie. I hvězdy na jejich okrajích se pohybovaly příliš rychle.

Znamená to, že by se následkem této příliš rychlé rotace hvězd u okraje systému měly všechny galaxierozpadnout a jejich hvězdy by se měly rozletět do všech stran.

Temná hmota

Vědci se snažili pro tento jev najít nějaké logické vysvětlení. Nejpravděpodobnějším se nakonec ukázala teorie, která předpověděla daleko vyšší celkovou hmotnost galaxie. Kromě viditelných a zářících hvězd v ní musí existovat „něco“, co naše přístroje neregistrují, co se ale podílí na její celkové hmotnosti.

Zářící hvězdy spolu s plynem a prachem, ze kterého vznikaly, tvoří zjevně jen menší část galaxie. Všechny tyto komponenty jsou uloženy v oblaku nezářící a proto jen těžko pozorovatelné hmoty, která dostala díky svým vlastnostem jméno „temná“.

Při zpětném propočtu Zwickyho objevů ze třicátých let se navíc ukázalo, že měl pravdu. V houfech galaxií je skutečně přítomná další hmota. Její množství dokonce procentuálně odpovídá tomu množství, které objevila Vera Rubin.

Vesmír obsahuje zhruba šestkrát více temné hmoty, než hmoty, kterou registrujeme teleskopy. 

Veře Rubin je dnes 87 let. Když v rozhovorech popisuje svůj nejvýznamnější objev, neopomene zdůraznit, že se věnovala tehdy nedůležitému projektu průzkumu pohybu galaxií také proto, aby nezatěžovala manžela, který by se jinak musel sám starat o jejich 4 děti. Jiné, prestižnější projekty by ji totiž nutily opouštět rodinu a podnikat delší cesty k velkým teleskopům na západě USA. 

Ironií, nebo snad přízní osudu, se z bezvýznamného, okrajového projektu díky její práci stala jedna z nejdůležitějších událostí moderní astronomie.