Zatiaľ čo myšlienka temnej hmoty bola pôvodne navrhnutá na vysvetlenie štruktúry galaxií, jedným z jej veľkých úspechov bolo vysvetlenie podstaty samotného vesmíru. Vlastnosti kozmického mikrovlnného pozadia možno vysvetliť prítomnosťou tmavej hmoty. A modely raného vesmíru vytvárajú galaxie a zhluky galaxií stavaním na štruktúrach tvorených temnou hmotou. Skutočnosť, že tieto modely dostávajú veľký obraz, bola silným argumentom v ich prospech.
Nová štúdia však naznačuje, že rovnaké modely majú nesprávne podrobnosti – o celú veľkosť. Ľudia v pozadí štúdie naznačujú, že s modelmi buď nie je niečo v poriadku, alebo bude možno potrebné upraviť naše chápanie temnej hmoty.
Pod objektívom
Nová štúdia, ktorú uskutočnil medzinárodný tím vedcov, využila fenomén nazývaný gravitačná šošovka. Gravitácia deformuje samotný priestor a môže to robiť spôsobom, ktorý ohýba svetlo, obdobne ako objektív. Ak masívny objekt – povedzme galaxia – sedí medzi nami a vzdialeným objektom, môže vytvoriť gravitačnú šošovku, ktorá vzdialený objekt zväčšuje alebo skresľuje. V závislosti od presných detailov usporiadania objektov môžu byť výsledky čokoľvek od jednoduchého zväčšenia až po kruhové krúžky alebo viacnásobné zobrazenie objektu.
Pretože účinky tmavej hmoty sú detegovateľné pomocou gravitácie, môžeme „vidieť“ prítomnosť tmavej hmoty prostredníctvom jej účinkov gravitačnej šošovky. V niekoľkých prípadoch sme dokonca detekovali šošovky, v ktorých je málo hmoty. To je jeden z mnohých dôkazov v prospech temnej hmoty.
Vedci pomocou gravitačnej šošovky nastavili test, ktorý je, aspoň koncepčne, veľmi jednoduchý. Postavili sme modely raného vesmíru, ktoré naznačujú, ako tmavá hmota pomohla štruktúrovať prvé galaxie, a pritiahla ich do zhlukov galaxií. Keď sa tieto modely dostanú dopredu, poskytujú opis toho, ako by malo vyzerať rozloženie temnej hmoty v rôznych bodoch histórie vesmíru až po súčasnosť. Vedci sa teda rozhodli použiť gravitačné šošovky na zistenie, či sa distribúcia tmavej hmoty videná na modeloch zhoduje s tým, kde ju vidíme prostredníctvom gravitačného šošovky.
Podľa týchto modelov bol Vesmír postavený hierarchicky. Vďaka gravitačným interakciám sama so sebou tvorila tmavá hmota vlákna, ktoré sa pretínali v zložitej trojrozmernej mriežke. Dodatočné gravitačné pôsobenie v bodoch, kde sa vlákna pretínali, priťahovalo pravidelnú hmotu a viedlo k prvým galaxiám. V priebehu času pokračujúce gravitačné ťahanie ťahalo galaxie k sebe a vytvorili veľké zhluky. Skúmaním výstupu týchto modelov môžeme získať pohľad na očakávané rozloženie tmavej hmoty okolo zhlukov. A pomocou priblíženia vidíme, ako by sa mala tmavá hmota distribuovať v oblasti jednotlivých galaxií.
Toto rozloženie tmavej hmoty možno považovať za predpoveď modelov.
Medzitým v skutočnom vesmíre …
Na otestovanie týchto predpovedí vedci použili obrázky z Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu na zmapovanie všetkých objektov vo veľkej zbierke galaktických zhlukov a okolo nich. Následné zobrazovanie pomocou veľmi veľkého ďalekohľadu pomohlo identifikovať vzdialenosť týchto objektov na základe toho, ako veľmi sa ich svetlo posunulo na červený koniec spektra expanziou vesmíru – čím väčší je červený posun, tým vzdialenejší objekt. To vedcom umožnilo určiť, ktoré objekty sa musia nachádzať za zhlukom galaxií, a teda potenciálnymi kandidátmi na gravitačnú šošovku.
Softvérový balík potom použil údaje na vytvorenie hromadnej distribúcie pre každú kupu galaxií. Zahŕňalo to celkové účinky na šošovky celého klastra, ako aj subšošovky poháňané jednotlivými galaxiami v klastri. Vedci zistili silnú zhodu medzi výskytom objektívov so šošovkami a umiestnením jednotlivých galaxií, čo im umožnilo overiť ich výpočty distribúcie hmoty.
Vedci potom pomocou simulátora vesmíru vytvorili 25 simulovaných klastrov a vykonali podobnú analýzu aj s klastrami. Urobili tak za účelom identifikácie miest možného šošovky a miest, ktoré by mohli vytvárať najväčšie skreslenia.
Tí dvaja sa nezhodovali. V galaxii skutočného vesmíru bolo podstatne viac oblastí, ktoré generovali vysoké skreslenie, ako v modeli. Bolo by to tak, ak by distribúcia tmavej hmoty bola o niečo hrudkovitejšia, ako by predpovedali modely – haly temnej hmoty okolo galaxií boli kompaktnejšie, než by predpovedali modely.
Toto nie je prvý rozpor, aký sme videli. Modely temnej hmoty tiež predpovedajú, že okolo Mliečnej dráhy by malo byť viac trpasličích satelitných galaxií a že by mali byť viac rozptýlené ako v skutočnosti. Keby sme ale mali upraviť naše modely tak, aby boli tieto galaxie viac rozptýlené, bolo by menej pravdepodobné, že v zhlukoch galaxií uvidíme kompaktnejšie štruktúry. Namiesto hľadania dvoch problémov, ktoré je možné vyriešiť vykonaním jednej úpravy, sa zdá, že je potrebné upraviť tieto dva problémy opačným smerom.
Dve možnosti
Vedci naznačujú, že existujú dve pravdepodobné vysvetlenia tohto rozdielu: buď si nevážime všetky vlastnosti temnej hmoty, alebo nám v simuláciách vývoja vesmíru niečo chýba. Pretože obaja dostanú celkový obraz vesmíru do veľkej miery pravdu, bude to problém jemný a následne ťažko identifikovateľný, pokiaľ by tieto výsledky dostali nezávislé potvrdenie. Jednou z možností je, že sa zdá, že problémy sú v oblasti galaxií, kde by dochádzalo k mnohým interakciám hmoty a tmy. Ak sa tam deje niečo komplikovanejšie, mohlo by to ľahko odhodiť modely.
Zatiaľ však pravdepodobne existujú tímy s ďalšími údajmi, ktoré by mohli vykonať podobnú analýzu, takže si budeme musieť počkať, kým budú hotové. Teoretickí kozmológovia, ktorí sú netrpezliví, budú nepochybne testovať varianty tmavej hmoty dlho predtým, ako vyjdú akékoľvek ďalšie analýzy.
Veda, 2020. DOI: 10.1126 / science.aax5164 (O DOI).
