NASA to dokázala znovu. Americká kosmická agentura objevila nový typ astronomického objektu, jehož existence byla předpovězena v simulacích, ale nikdy nebyla přímo potvrzena.
Jedná se o oblak temné hmoty a plynu, předběžně pokřtěný jako Cloud-9, který je podle publikace samotné instituce bohatý na plyn, ale nemá žádné hvězdy, což jej činí mimořádně zvláštním. Tento objev je zásadní, protože jde o první potvrzenou detekci takového objektu v blízkém vesmíru, typu „neúspěšné galaxie“, který osvětluje – paradoxně aniž by vyzařovala světlo – některé z největších záhad moderní kosmologie.
Oblak je považován za relikt raného vesmíru, pozůstatek z doby, kdy se začaly formovat první galaxie, kdy byl vesmír jen zlomkem svého současného stáří. Jeho studium nabízí jedinečnou příležitost pochopit, jak se plyn a temná hmota vzájemně ovlivňovaly v raných fázích galaktického vývoje a proč některé shluky hmoty vyrostly v jasné galaxie, zatímco jiné, jako například Nube-9, se ocitly stranou.
„Ve vědě máme tendenci učit se více z neúspěchů než z úspěchů. V tomto případě absence hvězd potvrzuje platnost teorie. Říká nám to, že jsme v místním vesmíru našli základní složku galaxie, která se ještě nezformovala,“ vysvětluje hlavní výzkumník mise Alejandro Benítez-Llambay, specialista na formování galaxií a kosmologické simulace.
Co je na Cloud-9 tak zvláštního?
Výsledky byly publikovány v časopise The Astrophysical Journal Letters a prezentovány na 247. zasedání Americké astronomické společnosti (AAS). Podle vědců patří Cloud-9 do teoretické třídy známé jako RELHIC (Reionization-Limited H I Cloud), která se skládá převážně z chladného neutrálního vodíku a je obsažena v halo temné hmoty. Tyto struktury vznikly v raném vesmíru, ale nikdy se jim nepodařilo nahromadit dostatečné množství hmoty nebo ochladit plyn natolik, aby se v něm zažehla tvorba hvězd.
Myšlenka RELHIC není nová: vznikla na základě počítačových simulací vesmíru, které ukázaly malá hala z temné hmoty, v nichž se zachovalo určité množství plynu, ale nepodařilo se v nich vytvořit hvězdy. Po léta byly tyto objekty čistě teoretickým konceptem, jakýmsi „chybějícím kouskem“ ve skládačce vzniku galaxií. Cloud-9 je prvním přesvědčivým pozorovacím důkazem, že tato temná, tichá hala skutečně existují.
„Tento oblak je oknem do temného vesmíru,“ řekl Andrew Fox ze Space Telescope Science Institute (STScI). „Víme, že většina hmoty ve vesmíru je neviditelná, a Cloud-9 nám umožňuje podívat se přímo na objekt, v němž dominuje temná hmota.“
Když astronomové hovoří o „temném vesmíru“, mají na mysli vše, co nevyzařuje světlo a co nemůžeme přímo vidět: temnou hmotu a temnou energii. Zejména temná hmota funguje jako gravitační lešení, na kterém jsou postaveny galaxie. Bez ní by galaxie nedržely pohromadě a nerostly by tak, jak rostou. Cloud-9 je v podstatě toto téměř holé lešení: halo temné hmoty s trochou plynu, ale bez hvězd, které by normálně prozrazovaly jeho přítomnost.
Kde se nachází a jak byl objeven
Oblak leží asi 14 milionů světelných let od Země, na okraji takzvané skupiny M94, malé kupy galaxií, které dominuje spirální galaxie Messier 94 (známá také jako NGC 4736). Tato vzdálenost ji řadí mimo Místní skupinu – vesmírné sousedství Mléčné dráhy a Andromedy – ale stále ještě do oblasti, kterou astronomové považují za „blízký vesmír“.
Objev se podařil díky kombinaci pozorování na různých vlnových délkách. Rádiová pozorování pomocí Very Large Array (VLA) v Novém Mexiku odhalila přítomnost neutrálního plynného vodíku (H I). Tento plyn vyzařuje velmi charakteristický signál na vlnové délce 21 cm, který je lidským okem neviditelný, ale radioteleskopy jej lze detekovat. To bylo první vodítko: zjevně izolovaná koncentrace plynu bez přidružené jasné galaxie.
Aby tým ověřil, zda se zde neskrývá extrémně slabá galaxie, obrátil se na Hubbleův vesmírný teleskop. Snímky Hubbla s vysokým rozlišením přesvědčivě potvrdily, že se v ní nenacházejí žádné hvězdy. Několik jasných skvrn viditelných v oblasti odpovídá mnohem vzdálenějším galaxiím v pozadí, nikoliv hvězdám patřícím do Cloud-9.
„U pozemních dalekohledů vždy existovala možnost, že se zde nacházejí příliš slabé hvězdy, než aby je bylo možné detekovat,“ vysvětlil Gagandeep Anand, hlavní autor studie. „Hubble nám umožňuje s jistotou říci, že tam žádné nejsou. Tato nepřítomnost hvězd spolu s rádiovou signaturou vodíku dělá z Cloud-9 tak jedinečný objekt.
Temný obr: velikost a hmotnost Nube-9
Jádro Nube-9 má průměr asi 4 900 světelných let, což je srovnatelné s velikostí nejmenších známých trpasličích galaxií. Uvnitř se podle odhadů astronomů nachází plyn o hmotnosti asi milionkrát větší než hmotnost Slunce. Ačkoli se toto množství plynu může zdát obrovské, v kosmickém měřítku je velmi skromné: například Mléčná dráha obsahuje plyn a hvězdy o hmotnosti miliard hmotností Slunce.
Co je však skutečně zarážející, je to, co není vidět. Na základě rozložení a pohybu plynu vědci odhadují, že halo temné hmoty obklopující Cloud-9 by mohlo mít až pět miliard hmotností Slunce. To znamená, že na každou jednotku hmotnosti viditelného plynu připadají tisíce jednotek hmotnosti neviditelné temné hmoty. Tento nepoměr vysvětluje, proč oblak drží pohromadě, i když se v něm nevytvořily hvězdy: je to gravitace temné hmoty, která ho drží pohromadě.
Zjednodušeně řečeno, Cloud-9 je jako „nahá“ trpasličí galaxie: má kostru z temné hmoty a trochu plynného „masa“, ale chybí mu složka, kterou si obvykle spojujeme s galaxiemi, hvězdy. Proto je označován jako „neúspěšná galaxie“: měla potenciál stát se svítivou galaxií, ale něco v její kosmické historii jí v tomto kroku zabránilo.
Předmětem diskusí v astronomické komunitě
Po léta astronomové diskutovali o tom, zda tyto objekty skutečně existují, nebo zda se jedná pouze o extrémně slabé trpasličí galaxie, tak slabé, že unikly nejlepším dalekohledům. Kosmologické simulace předpovídaly přítomnost mnohem většího počtu malých hal temné hmoty, než kolik bylo pozorováno jako trpasličí galaxie, což je problém známý jako „problém chybějících satelitů“. Jedním z možných řešení bylo, že v mnoha z těchto halo se nikdy nevytvořily hvězdy, a proto byly prakticky neviditelné.
Hubbleova pozorování nyní tuto pochybnost v případě Cloud-9 definitivně vyřešila. Nejedná se o extrémně slabou trpasličí galaxii, ale o něco ještě radikálnějšího: o halo z temné hmoty s plynem, ale bez jediné detekovatelné hvězdy. Tento výsledek podporuje myšlenku, že podobným vývojem mohla projít i část malých halo ve vesmíru, která zůstala až do dnešních dnů zahalena.
Toto zjištění také zapadá do teorií o vlivu kosmické reionizace, rané fáze vesmíru před více než 12 miliardami let, kdy záření prvních hvězd a galaxií ionizovalo plyn vyplňující prostor. Tento proces plyn zahříval a ztěžoval akreci menších hal temné hmoty, která jej ochlazovala natolik, aby se v ní mohly tvořit hvězdy. RELHIC by byla právě taková hala „potrestaná“ reionizací: zachovávají si určitý plyn, ale ne dostatečně a ne ve správných podmínkách pro zažehnutí zrodu hvězd.
První z mnoha neúspěšných galaxií
Vědci se domnívají, že Cloud-9 může být jen první z mnoha skrytých „nepovedených galaxií“ v blízkém vesmíru. Jejich vzácnost a křehkost – protože mohou ztrácet plyn při interakci s okolím – vysvětlují, proč je tak obtížné je odhalit. Prochází-li relativně blízko sousední galaxie nebo je-li mezigalaktický plyn poněkud hustší, ztrácejí tato mračna svůj řídký plynný obsah a stávají se ještě neviditelnějšími.
Výzkumný tým již identifikoval další podobné kandidáty v katalozích rádiových pozorování a budoucí kampaně s citlivějšími radioteleskopy, jako je například soustava Square Kilometre Array (SKA), by mohly počet známých RELHIC znásobit. Každý nový takový objekt by posloužil jako přirozená laboratoř pro testování modelů vzniku galaxií a povahy temné hmoty.
Tento objev posiluje myšlenku, že samotné pozorování hvězd k pochopení vesmíru nestačí. Plyn a temná hmota hrají klíčovou roli ve stavbě vesmíru a objekty jako Cloud-9 nabízejí přímý pohled na tyto neviditelné složky. Studiem rozložení plynu v temném halo mohou astronomové odvodit vlastnosti temné hmoty, například její hustotu a koncentraci v centru halu, což je klíčové pro rozlišení různých modelů temné hmoty.
Proč tento objev může změnit naše znalosti o vesmíru
Kromě anekdoty o nálezu mračna bez hvězd má Cloud-9 hluboké důsledky pro naše chápání vesmíru:
- Doplňuje soupis malých vesmírných struktur. Po celá desetiletí simulace předpovídaly více malých halo, než kolik bylo pozorováno galaxií. Existence RELHICů, jako je Cloud-9, naznačuje, že některá z těchto halo existují, ale v podobě temných, téměř neviditelných galaxií.
- To podrobuje modely temné hmoty zkoušce. To, jak je plyn v halo Nube-9 rozložen a jak se pohybuje, závisí na tom, jaká je temná hmota. Porovnání pozorování se simulacemi umožňuje některé modely zavrhnout a jiné zpřesnit.
- Poskytuje vodítka o reionizaci a tepelné historii vesmíru. Znalost toho, kolik RELHIC existuje a jak vypadají, pomáhá rekonstruovat, jaký vliv mělo záření prvních hvězd na malá hala a kdy přesně k této přeměně kosmického plynu došlo.
- Nově definuje, co rozumíme pod pojmem „galaxie“. Pokud objekt s miliardami hmotností Slunce v temné hmotě a plynu, ale bez hvězd, není galaxie, co to tedy je? Cloud-9 nutí astronomy zpřesnit své definice a přemýšlet o galaxiích nejen jako o souborech hvězd, ale jako o hierarchických strukturách temné hmoty, plynu a někdy i světla.
Najít takový objekt v místním vesmíru je jako objevit živou fosilii: kousek vzdálené minulosti, který se téměř neporušený zachoval až do dnešních dnů a umožňuje nám studovat s takovou úrovní detailů, jaká je ve vzdáleném vesmíru nemožná, jak vypadaly první stavební kameny galaxií.
Budoucnost: od Hubbla k Jamesi Webbovi a dál
Objevu Cloud-9 bylo dosaženo kombinací referenčních přístrojů, jako jsou VLA a Hubble, ale astronomové již nyní hledí k další generaci observatoří. Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) by díky své infračervené citlivosti mohl pomoci hledat extrémně slabé známky vzniku hvězd u podobných objektů nebo potvrdit, že skutečně zůstávají zcela temné.
Rozsáhlé mapování neutrálního vodíku pomocí radioteleskopů, jako je SKA nebo ASKAP Array Pathfinder, umožní prohledat mnohem větší objemy blízkého vesmíru, pokud jde o nová taková mračna. Každá taková detekce přidá další kousek do skládačky, jak se vesmír z téměř jednolitého moře plynu a temné hmoty stal sítí galaxií, kterou pozorujeme dnes.
Mezitím se Cloud-9 již stal referenčním objektem pro astronomickou komunitu. Nesvítí, nemá žádné hvězdy, a přesto osvětluje temnou stranu vesmíru jako máloco jiného.