Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 31 (vyšlo 2. září, ročník 14 (2016)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Jsou galaxie obklopeny primordiálními černými děrami?

Jiří Hofman

Podstata temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. sice není tak mysteriózní jako nejasnosti kolem temné energieTemná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve Vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací. – je to nejspíše hmota se vcelku běžnými vlastnostmi, jen v zatím neznámé formě a množství. Nevíme, co konkrétně temnou hmotu tvoří. Obvykle se uvažuje nad dosud neznámými částicemi, nejčastěji s obrovskými klidovými hmotnostmi. Bohužel se takové částice nedaří nalézt.

Jinou možností mohou být ničím nevymykající se vesmírná tělesa, která z nějakého důvodu jen nevidíme. Požadovaným vlastnostem se nejvíce blíží černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.. Jenže i s nimi vyvstávají dva problémy – nikdy jsme je nepozorovali v množství nutném pro vysvětlení projevů temné hmoty a je nutné vysvětlit, jak by takové množství černých a obtížně pozorovatelných děr mohlo vzniknout.

COSMOS – mapa temné hmoty

Časoprostorový řez rozložením temné hmoty získaný v projektu COSMOSCOSMOS – Cosmic Evolution Survey, přehlídka oblohy probíhající od roku 2002, které se účastní vesmírné observatoře od infračerveného po rentgenový obor (Spitzer, Hubble, GALEX, XMM-Newton a Chandra) a mnoho pozemských optických dalekohledů. Podrobně je sledováno čtvercové rovníkové pole o hraně 2°. Bylo detekováno přes dva miliony galaxií v nejrůznějších vývojových stádiích. Jde o největší přehlídku tohoto druhu. v roce 2008. Nalevo jsou zobrazeny tři řezy v určitých obdobích v minulosti. Napravo je spojitá časoprostorová mapa se zorným polem 2°×2°, tedy čím dále se díváme, tím větší je prostor, který pozorujeme. Zdroj: ESA.

Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.

Temná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve Vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací.

Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.

Nová hypotéza

Astrofyzik Alexander Kashlinsky z Goddardova kosmického střediska v Greenbeltu v americkém státě Maryland nabízí odpovědi na obě otázky. A to velmi překvapivé, až neuvěřitelné odpovědi. Pokud je jeho hypotéza správná, jsou galaxie ve vesmíru obklopeny obrovským množstvím primordiálních černých děr o hmotnostech asi třiceti Sluncí. Takové odvážné tvrzení samozřejmě vyžaduje podporu v podobě silných důkazů. Tato myšlenka však nespadla z nebe a Kashlinskyho tým se k ní propracovával postupně.

V roce 2005 Spitzerův vesmírný dalekohledSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm. Přístroje byly chlazeny kapalným heliem na teplotu 5,5 K do roku 2009. Pozorovací spektrální rozsah byl v období chlazení 3÷180 μm. Od roku 2009 pracuje dalekohled v „teplém“ režimu – teplota celého dalekohledu je cca 30 K a  pracuje jen přístroj IRAS na vlnových délkách 3,6 μm a 4,5 μm. Program observatoře má na starosti California Institute of Technology. nafotografoval v infračervené oblasti spektra část oblohy ve Velké medvědici. Po odstranění známých zdrojů se objevil nehomogenní obraz infračerveného záření pozadí. Pozorování bylo později potvrzeno i z jiných částí oblohy a za zdroj tohoto záření se považovaly první hvězdy, které vesmír osvítily před třinácti miliardami let. Velké překvapení ale přišlo, když se v roce 2013 tento obraz porovnal s obrazem rentgenového záření pozadí. První hvězdy totiž zářily hlavně v optickém a ultrafialovém oboru a tvrdšího záření moc nevydávaly. Vzhledem k rozpínání vesmíru by se neměly v rentgenovém záření pozadí projevit. Přesto snímek z rentgenové observatoře ChandraChandra – družicová observatoř NASA zkoumající vesmír v rentgenovém oboru. Byla vypuštěna v roce 1999. Na palubě observatoře je rentgenový dalekohled o průměru 1,2 m a ohniskové vzdálenosti 10,05 m, tvořený čtyřmi soubory souosých paraboloidně-hyperboloidních zrcadel o délce 0,85 m, se zorným polem o průměru 1,0° a s rozlišením 0,5″. velmi dobře souhlasil s obrázkem ze Spitzeru. Vysvětlení původu těchto dvou pozadí tedy musí být společné a zároveň jiné, než se původně předpokládalo.

Infračervené záření pozadí

Infračervené záření pozadí v souhvězdí Velké medvědice s vymaskovanými známými zdroji. Snímek byl pořízen Spitzerovým vesmírným dalekohledem. Zdroj: NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC).

Objektem, jehož okolí dostatečně září na obou pozorovaných vlnových délkách, by mohla být černá díra. Kashlinskyho tým z naměřených dat odvodil, že nejméně asi pětina zdrojů, které přispěly k oběma pozadím, by mohly být černé díry. Protože černé díry v té době ještě nemohly vznikat v dostatečném množství z hvězd, nabízejí se primordiální černé díry. Primordiální (kosmologické) černé díry by měly vznikat jen ve velmi raných fázích vzniku vesmíru, dokud vesmír nebyl starší než jednu sekundu. V té době by podle současných modelů měly ale vznikat jen miniaturní černé díry. Zásadní změnu v předpokladech přinesla dvě loňská pozorování splynutí dvojic černých děr středních hmotností, která uskutečnila gravitační observatoř LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Za první dva roky po rekonstrukci bylo zachyceno pět prokazatelných signálů a jeden statisticky málo průkazný. (viz AB 6/2016). První splývající dvojice (pozorována 14. 9. 2015) měla hmotnosti 29 a 36 Sluncí, druhá (pozorována 26. 12. 2015) 8 a 14 Sluncí. Dosud se pozorovaly jen „hvězdné“ černé díry o hmotnostech do cca 10 Sluncí a „galaktické“ černé díry s hmotnostmi přes milion Sluncí. Druhá dvojice zapadá bez problémů do kategorie hvězdných černých děr, hmotnosti první dvojice budí poněkud rozpaky. Pokud by takové objekty byly primordiálními černými děrami, mělo by to zásadní důsledky pro kosmologii.

Právě tuto smělou hypotézu Kashlinsky rozvinul v článku publikovaném letos v květnu. Zabýval se tím, jak by vypadal vesmír, ve kterém by v jeho raných stádiích vznikaly černé díry o podobných hmotnostech, které naměřilo LIGO, a ty by tvořily temnou hmotu. V první řadě by byly zárodkem drobných fluktuací v rozložení hmoty v mladém vesmíru, které by později měly závažné dopady na jeho vzhled. Během prvních stovek milionů roků běžná hmota netvořila hvězdy, protože tomu bránila její vysoká teplota. Černé díry ale s teplotou problém neměly, protože vzájemně interagují hlavně gravitačně. Tak mohla vznikat centra, kolem kterých se začala později shlukovat i běžná hmota, v níž časem vznikaly hvězdy. Dokonce se povedlo ověřit, že s temnou hmotou tvořenou černými děrami se velmi rychle a snadno vytvoří takový vesmír, který nakonec při pozorování v infračerveném oboru vypadá tak, jak ho zobrazil Spitzerův vesmírný dalekohled.

Infračervené záření pozadí

V levé části obrázku je raný vesmír, v němž bylo záření vázáno na látku. Na konci této éry, 400 000 po vzniku vesmíru, se volné elektrony staly součástí atomárních obalů, což vedlo k oddělení záření od látky, které dnes pozorujeme jako mikrovlnné záření pozadí. Následovaly stovky milionů let, kdy látka ve vesmíru samostatně nesvítila. Tomuto období říkáme temný věk. Zhruba 550 milionů let po vzniku vesmíru vznikly první hvězdy. Pozůstatkem tohoto procesu je infračervené zářené pozadí. Ze stejného období pochází také rentgenový signál, který by mohl vznikat při akreci látky na černé díry. Zdroj: NASA/ESA/K. Teramura (UHIfA).

Závěr

Předložená hypotéza je samozřejmě testovatelná. S budoucími pozorováními na gravitačních observatořích se buď podaří nalézt další podpůrné argumenty, nebo bude hypotéza vyvrácena. Příští pozorovací kampaň na LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Za první dva roky po rekonstrukci bylo zachyceno pět prokazatelných signálů a jeden statisticky málo průkazný. začne na podzim 2016 a později by se měl do projektu zapojit i italský detektor VIRGOVIRGO – největší evropský interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 3 km. Je umístěn u vesničky Cascina, 10 km od italské Pisy proslulé svou šikmou věží. Detektor byl uveden do provozu v roce 2007. Od roku 2010 do roku 2017 probíhala rekonstrukce, jejímž cílem bylo podstatné zvýšení citlivosti. První experimentální běh po rekonstrukci proběhl v srpnu 2017 (společné pozorování s americkým LIGO) a 14. srpna se podařilo zachytit první gravitační signál. Detektor Virgo je součástí observatoře EGO (European Gravitational Observatory). Pro přístroj po rekonstrukci se také často používá zkratka AdV (Advanced Virgo).. Do problému by mohl vnést světlo i projekt LIBRAE na kosmickém dalekohledu Euclid, který má vypustit ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. v roce 2020. Dalekohled bude mít zrcadlo o průměru 1,2 metru a bude pozorovat ve vizuálním a blízkém infračerveném oboru. Projekt LIBRAE využije snímků plánovaného dalekohledu k analýze infračerveného záření pozadí a k hledání původu jeho fluktuací.

AB 6/2015: Vizualizace sloučení dvou černých děr, které zachytil detektor LIGO. Obíhající černé díry ztrácejí energii vyzařováním gravitačních vln. Ty jsou znázorněny jednak zprohýbanou plochou v okolí černých děr (říká se jí diagram vnoření), jednak signálem v dolní části videa. Povšimněte si, že při sloučení děr má signál výrazné maximum (proto mohl být zachycen) a po sloučení zcela mizí, neboť výsledná černá díra už nemá kvadrupólovou nesymetrii. Určitě stojí za to si tuto vizualizaci zobrazit na celou obrazovku. Zdroj: SXS projekt. (mp4/h264, 17 MB)

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage