Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 13 – vyšlo 1. dubna, ročník 20 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Chiralita galaxií?

Dana a Rudolf Mentzlovi

Principy, na kterých stojí moderní fyzika, se opírají o pojem symetrie. Jsou tím myšleny symetrie fyzikálních zákonů. Jeden z druhů symetrieP symetrie – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Z této symetrie plyne existence zachovávající se veličiny, kterou nazýváme parita (odsud písmenko P, paritní symetrie). Pokud by symetrie platila, parita by se zachovávala. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60. se týká vztahu mezi pravotočivostí a levotočivostí systému. Mluvíme o takzvané chiralitě. Tento pojem se promítá asi do všech vědních oborů. Nalezneme jej stejně tak ve fyzice, jako v chemii nebo biologii. S překvapením zjišťujeme, že vesmír často chirální symetrii nedodržuje. NeutrinaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. jsou pouze levotočivá, některé chemické sloučeniny stáčí rovinu polarizovaného světlaPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. častěji doleva než doprava. Také hlemýždi preferují stáčení ulity jedním směrem. Chiralita v biologii se zvláštním způsobem dotýká astronomie. Není žádná novinka, že aminokyselinyAminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH₂. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností., na kterých je postaven život, jsou levotočivé. Teprve nedávno se ale zjistilo, že to není lokální záležitost ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Analýza meteoritůMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch. prokázala, že v nich převažují levotočivé aminokyseliny. Důvod zatím není zřejmý, předpokládá se, že kdysi došlo k masové selekci působením kruhově polarizovaného záření. ChiralitaChiralita – vlastnost, která vyjadřuje, že objekt není zrcadlově totožný sám se sebou. Pravá ruka vypadá v zrcadle jako levá. Přitom nelze jednu zaměnit za druhou. Naproti tomu symetrické objekty, jako například koule, chirální nejsou, protože jsou zaměnitelné se svým zrcadlovým obrazem. Název pochází z řeckého χέρι [chéri], což znamená ruka. se ale netýká jen takhle malých struktur. Vesmír je charakteristický především měřítky udávanými v milionech až miliardách světelných rokůSvětelný rok – ly (light year), vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, ly = 9,46×10¹² km. Menšími jednotkami jsou: světelný den, světelná hodina, světelná minuta a světelná sekunda. Větší jednotkou je 1000 ly, což označujeme zkratkou kly. Tyto jednotky se velmi často používají v populárních textech. V odborných textech se spíše využívají parseky..

Galaxie M 51 v souhvězdí Honících psů s dobře viditelnou spirální strukturou.
Zdroj: S. Beckwith, ESA/NASA.

Chiralita – vlastnost, která vyjadřuje, že objekt není zrcadlově totožný sám se sebou. Pravá ruka vypadá v zrcadle jako levá. Přitom nelze jednu zaměnit za druhou. Naproti tomu symetrické objekty, jako například koule, chirální nejsou, protože jsou zaměnitelné se svým zrcadlovým obrazem. Název pochází z řeckého χέρι [chéri], což znamená ruka.

Galaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny.

P symetrie – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Z této symetrie plyne existence zachovávající se veličiny, kterou nazýváme parita (odsud písmenko P, paritní symetrie). Pokud by symetrie platila, parita by se zachovávala. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60.

Kam se točí galaxie?

Některé objekty makrosvěta jsou chirální, některé nejsou. Například ruka (řecky ???? [chéri]) je chirální objekt. Levá je zrcadlovým obrazem pravé a naopak. Žádným otáčením ve třírozměrném prostoru jednu neproměníme v druhou. Naproti tomu otisk ruky na skle již chirální není. Palec vidíme nalevo, nebo napravo, podle toho, jak se na otisk díváme. Jiným příkladem může být třeba šroubovice versus spirála. Pravotočivý šroub zůstane pravotočivým, ať už ho natočíme hlavičkou dolů, nebo nahoru. Naopak, spirála může být levo-, nebo pravotočivá, podle toho, zda si ji prohlížíme shora, nebo zdola. Právě proto nelze spirální galaxieGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. považovat za chirální objekty. Nebo že by tomu tak nebylo?

Je začátek dubna, doba vhodná na aprílový článek. Původním záměrem autorů bylo napsat o rozdělení galaxií na levo- a pravotočivé, o narušení CPT symetrieCPT symetrie – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnout stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). a o důsledcích, které z toho plynou. Sám pojem levotočivosti spirální galaxie je natolik sebepopírající, že by čtenář snadno odhalil lehký tón článku. Při sbírání materiálu však autoři narazili na seriózní výzkum, který se smyslem stáčení galaxií zabýval.

Jsou spirální galaxie chirálními objekty? Z globálního pohledu docela určitě ne. Avšak pro pozorovatele na Zemi, který může vzdálené galaxie pozorovat jen z jediného směru, už lze o levo- či pravotočivosti mluvit. Protože jsou galaxie rozmístěny v náhodných směrech a mají náhodné orientace, můžeme dovodit, že zastoupení jedněch a druhých bude v poměru 1:1. Jakýkoli jiný výsledek je stejně nesmyslný, jako naděje, že vyfukováním cigaretového kouře pod vodní hladinu vznikne zlato. Ověřit takový předpoklad je vědecký úkol hodný Cimrmanovy medaile.

Tímto Cimrmanem se v roce 2011 stal astronom Michael Longo z Michiganské univerzity. Těžko říci, co experimentem zamýšlel, ale se svými pěti studenty proměřil 230 000 galaxií v okolí miliardy světelných roků. U většiny z nich nebyli schopni smysl zavíjení spirál vůbec určit, ale pořád zůstalo 15 158 jasně zařaditelných galaxií. Ukázalo se, že na severní polokouli je levotočivých galaxií o 7% více, než pravotočivých a na jižní polokouli naopak. Nepoměr v řádu procent je statisticky významný, nelze ho brát na lehkou váhu. Pokud by se měření potvrdilo, jednalo by se o objev, jaký tu nebyl od dob opuštění geocentrismu. Ačkoli oponenti nenašli ve studii prohřešky proti metodice výzkumu, byla práce pro svou neuvěřitelnost přijata skepticky.

Jestliže ve vesmíru převažují galaxie rotující jedním směrem, nevyhneme se
představě preferovaného směru v kosmologickýchKosmologie – nauka o vesmíru jako celku, o jeho struktuře, minulosti a budoucnosti. Slovní základ této vědecké disciplíny pochází z řečtiny. Slovo „kosmos“ v tomto jazyku znamená svět, ale také řád, eleganci a krásu. Stejný slovní základ má kosmetika. Současné pozorovací možnosti posunuly kosmologii do nejbouřlivěji se rozvíjejících vědeckých disciplín. K největším problémům současné kosmologie patří nejasnosti kolem podstaty temné hmoty a temné energie, které by měly být největší součástí vesmíru. Naopak jsou relativně dobře prozkoumány poslední fáze Velkého třesku. měřítcích. Zdroj: Longo.

Výzkum pokračuje

Věda a vědci však nejsou totožné entity. Jakkoli může být vědec zaujatý, věda nezná pojem neuvěřitelnost a vždy se najde někdo, kdo neuvěřitelná měření zopakuje. Již v roce 2012 se úkolu ujal astrofyzik Lior Shamir z LTU. Na rozdíl od Michaela Longa, jehož metodika stála na lidské síle, zapojil Shamir do procesu strojové rozpoznávání obrazu. Prozkoumal vesmír v okolí 3,4 miliardy světelných roků a otestoval 126 501 spirálních galaxií. Ve své práci došel k podobným výsledkům, jako jeho předchůdce. Liší se pouze v určení preferované osy rotace, a to dokonce o 85°. Zároveň však uvádí, že určení směru osy rotace je úloha mnohem citlivější na způsob zpracování, než pouhé rozhodnutí, na kterou stranu se galaxie otáčí.

Lior Shamir ve své práci nepolevil. Během roku 2020 uveřejnil nové výsledky. Pokrok v rychlosti počítačů i v algoritmech rozpoznání obrazu mu umožnil otestovat rovných 200 000 spirálních galaxií. Převaha pravotočivých tentokrát sice vychází menší než v původní Longově studii, ale stále je 2 %, což vylučuje, že by mohlo jít o náhodu. Hlubší analýza zároveň prozradila, že menší nepoměr vykazují blízké galaxie. Čím blíže galaxie jsou, tím více převažuje chaos. Zato vzdálené galaxie jednoznačně preferují jeden smysl otáčení. Ve vesmíru vzdálenost úzce souvisí se stářím. Poznatek lze tedy také interpretovat tak, že byl mladší vesmír více organizovaný, a teprve časem náhodná složka nabyla na na významu.

Mapa pólů rozložení směrů rotace galaxií. Zdroj: K-State News.

Naše představy v troskách?

Komplikovanější problém spočívá ve stanovení os rotace. Analyzovaným údajům nejvíce odpovídá model se dvěma osami rotace. Mluvíme o kvadrupólovém rozložení galaxií ve vesmíru. Otázka je, jak nové poznatky interpretovat. Na první pohled je tu zřejmé nepříjemné zpochybnění principu izotropieIzotropní – stejný ve všech směrech. vesmíru. Moderní kosmologie počítá s vesmírem, který je všech směrech stejný. Nyní jsou tu dva jasně preferované směry. Zároveň se nastoluje otázka, odkud se vzal impuls, který udělil galaxiím převládající směr rotace. Autoři se zatím spokojují s poněkud vágním vysvětlením, že ji galaxiím udělil mladý rotující vesmír. Je to však pouze odsunutí problému, protože není zřejmé, co si pod pojmem rotace vesmíru představit.

Analýza smyslu otáčení galaxií se týká jen okolí několika miliard světelných roků. Vzdálenější, potažmo starší, galaxie z průzkumu vypadly a nebudou zařazeny, protože u nich se ještě nevytvořila (nebo není patrná) spirální struktura. V tomto smyslu se zde může uplatňovat výběrový efekt. Samozřejmě stále zůstává nezodpovězena otázka mechanizmu nastavení smyslu rotace jednotlivých galaxií, ale lze snáze přijmout myšlenku rotace konečné vesmírné bubliny, než otáčení celého vesmíru.

V neposlední řadě je také třeba znovu hledat a vyloučit případnou chybu při strojovém vyhodnocování obrazu. Autor studie je sice počítačový specialista a dle vlastních slov jakoukoli chybu vylučuje, ale zároveň také víme, jak může být neuronová síť náchylná například na přeučení. Nicméně skříňka s pochybnostmi o anizotropii vesmíru byla otevřena a je třeba zjistit, zda tento článek patří do aprílového vydání právem, nebo nás čeká převrat v nahlížení na vývoj vesmíru.

Odkazy