Astronomové poprvé objevili kosmické vlákno galaxií, které rotuje jako jeden celek – struktura dlouhá 5,5 milionu světelných let sdílí kolektivní pohyb a mění naše chápání dynamiky vesmíru. Tento objev naznačuje, že vesmír není jen statická síť, ale že i jeho největší stavební kameny mají svůj tanec.
Quipu patří do kategorie struktur, které se díky své velikosti vymykají i naší intuici o tom, co v astronomii znamená „velký“. Mluvíme o superhvězdokupách, galaktických stěnách a kosmických vláknech, kouscích takzvané „kosmické pavučiny“: jakési trojrozměrné pavučiny hmoty, která se táhne celým pozorovatelným vesmírem. V této pavučině nejsou galaxie rozmístěny náhodně, ale jsou seskupeny do uzlů (kup), propojeny vlákny a mezi nimi zůstávají obrovské mezery, které jsou téměř bez hmoty.
V posledních desetiletích byly identifikovány další impozantní megastruktury, jako je Velká Sloanova zeď, Velká zeď Herkulovy a Boreální koruny nebo superkupina Laniakea, do které patří i naše Mléčná dráha. Všechny pomohly upevnit představu, že na škále stovek či miliard světelných let je vesmír uspořádán podle vzorců dobře popsaných standardním kosmologickým modelem. Quipu a nyní i tato nová rotující struktura posouvají tyto hranice a nutí nás podívat se na architekturu vesmíru blíže.
Nyní však byl objeven nový vesmírný obr. Je sice pravda, že nová struktura nesoutěží s Quipu v délce, ale má jinou vlastnost, která ji činí jedinečnou: je to první struktura s potvrzeným kolektivním spinem. Jde o jiné rozpoznání: nikoliv absolutní velikosti, ale vnitřní dynamiky v měřítku vlákna.
Související článek
Autoři průlomového objevu, publikovaného v Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, identifikovali možná největší rotující strukturu, jaká kdy byla ve vesmíru objevena: vlákno nejméně 14 galaxií rotujících jako obří kosmický kolotoč o průměru 5,5 milionu světelných let. Tento objev otevírá nové otázky o tom, jak jsou ve vesmíru uspořádány hmota a úhlový moment v nepředstavitelných měřítkách.
Autoři pod vedením Lyly Jung popisují strukturu galaxií seřazených na vzdálenost milionů světelných let, které rotují kolem společné osy, což dosud nebylo pozorováno. Objev naznačuje, že „tkanina“ vesmíru nejen rozděluje galaxie do vláken, ale že tato vlákna sama mohou mít vnitřní dynamiku s kolektivní rotací.
Pro představu měřítka je Mléčná dráha velká asi 100 000 světelných let. Toto rotující vlákno se táhne asi 5,5 milionu světelných let: to znamená, že je asi 50krát větší než naše galaxie. A přesto se chová jako jediný dynamický systém: galaxie, které ji tvoří, se nepohybují pouze jednotlivě, ale zdá se, že se podílejí na globálním pohybu, jako by byly umístěny na stejné kosmické točně.
Jak odhalit „rotující“ vlákno
Klíč k objevu spočívá v nesmírně přesném měření toho, jak se galaxie podél vlákna pohybují. Za tímto účelem Jung a její tým zkombinovali rádiová pozorování a data z velkorozměrových kosmologických map. Využili zejména měření 21centimetrové čáry neutrálního vodíku, což je velmi charakteristický rádiový signál, který jim umožňuje studovat chladný plyn v galaxiích a jejich okolí.
Když se galaxie od nás vzdaluje, světlo (nebo rádiové vlny), které vysílá, se posouvá směrem k delším vlnovým délkám: tomu se říká červený posuv. Pokud se k nám přibližuje, dochází k opačnému jevu: signál je posunut směrem ke kratším vlnovým délkám (modrý posuv). Tento Dopplerův jev, stejný efekt, který způsobuje změnu výšky tónu sirény při průletu, nám umožňuje měřit rychlosti v kosmickém měřítku.
Astronomové využili nedávná data významná pro radioastronomii a kosmologické mapování a identifikovali vlákno spojující několik galaxií v protáhlé formaci, přičemž měření rychlostí naznačují souvislou rotaci. Podle výpočtů Jungina týmu se struktura jako celek otáčí značnou rychlostí, což znamená, že hmota v tomto vláknu (galaxie, plyn, temná hmota) sdílí společný úhlový moment, jako by se všechny otáčely kolem stejné osy.
V praxi pozorovali velmi specifický vzorec: na jednom konci vlákna vykazují galaxie o něco vyšší rychlosti v jednom směru, zatímco na opačném konci je vzorec opačný. Takové symetrické rozložení rychlostí je přesně to, co bychom očekávali od rotujícího systému. Nejedná se o pouhý tok hmoty padající do kupy, ale o velkorozměrově organizovanou rotaci.
Těchto 14 galaxií není jednoduše seřazeno do řady; sdílejí kolektivní rotaci. To se vymyká klasickému pohledu na filamenty jako na pouhé statické „dálnice“ hmoty a naznačuje, že mohou mít vnitřní dynamiku.
Navíc se astronomové dříve domnívali, že velké struktury ve vesmíru – superkupy, filamenty, galaktické stěny – jsou v podstatě statické nebo se pomalu vyvíjejí. Tento objev k tomu přidává dosud nevídanou vlastnost: velkorozměrovou koherentní rotaci.
Od rotujících galaxií k rotujícím vláknům
To, že galaxie rotují, není žádným překvapením. Naše vlastní galaxie Mléčná dráha rotuje kolem svého středu: Slunci trvá asi 225 milionů let, než dokončí jednu otáčku. Tato rotace je do značné míry vysvětlována temnou hmotou, neviditelnou formou hmoty, která nevyzařuje žádné světlo, ale jejíž gravitace dominuje dynamice galaxií. Bez temné hmoty by se galaxie rozpadaly rychlostí rotace, kterou pozorujeme.
Novinkou je rozšíření této myšlenky rotace na mnohem větší měřítka. Numerické simulace formování vesmírných struktur – například ty, které se provádějí v projektech jako Illustris nebo Millennium– již léta naznačují, že vlákna vesmírné sítě by mohla mít určitý úhlový moment hybnosti, tedy „rotaci“ zděděnou z malých fluktuací hustoty v raném vesmíru a časem zesílenou gravitací.
Až dosud však byla taková rotace vláken převážně teoretickou předpovědí. Jasná a přímá detekce v reálném vesmíru chyběla. Práce Jung a jeho týmu přináší právě to: pozorovací důkaz, že přinejmenším v jednom případě rotuje filament galaxií jako celek. Je to most mezi tím, co ukazovaly simulace, a tím, co skutečně vidíme na obloze.
Vesmírná šroubovice: Metafora zábavního parku
Tento objev ukazuje, že „nadstavby“ vesmíru nejsou jen pasivními shluky galaxií: mohou mít pohyb, rotaci, složitou dynamiku, což znovu otevírá mnoho otázek. Je to jediná spirála svého druhu? Hraje v této rotaci nějakou roli temná hmota? Znamená to, že je třeba revidovat některé kosmologické předpovědi?
„To, co činí tuto strukturu výjimečnou, není jen její velikost, ale kombinace spinového uspořádání a rotačního pohybu,“ uzavírá Jung. Lze ji přirovnat k atrakci v zábavním parku, k tzv. vířívým šálkům. Každá galaxie je jako rotující šálek čaje, ale celá plošina, kosmické vlákno, se také otáčí. Tento dvojí pohyb nám dává jedinečný pohled na to, jak galaxie získávají svou rotaci z větších struktur, které je tvoří.
Obzvláště užitečný je obraz šálku čaje: každá galaxie má svou vlastní vnitřní rotaci (jako rotující šálek), ale zároveň se podílí na větší rotaci (společné platformy). To naznačuje, že rotace galaxií může být alespoň částečně „zděděna“ ze spinu vláken, v nichž se galaxie tvoří. Místo toho, aby se galaxie rodily s náhodnou rotací, mohly by být sladěny s globálním pohybem struktury, která je zásobuje plynem a temnou hmotou.
Co nám to říká o původu úhlového momentu hybnosti
Jednou z velkých otázek v kosmologii je, odkud pochází úhlový moment galaxií: jinými slovy, proč rotují. Dosud nejrozšířenějším vysvětlením je tzv. teorie slapového momentu. Podle této představy se v raném vesmíru malé nepravidelnosti v rozložení hmoty vzájemně přitahovaly mírně asymetrickým způsobem a vytvářely gravitační „tlaky“, které uvedly protogalaxie do rotace.
Nález rotujícího vlákna do tohoto názoru zapadá, ale přidává důležitou nuanci: těmto slapovým momentům mohly podléhat nejen galaxie, ale i samotné struktury, které je spojují. Výsledkem by byla hierarchie rotací: od halo temné hmoty, které obklopuje galaxie, přes vlákna, která je seskupují, až po nadkupy, které organizují celé oblasti vesmíru.
Pokud se potvrdí více příkladů rotujících filamentů, budou moci kosmologové porovnat pozorování s předpověďmi ze simulací a doladit modely vzniku struktur. To by mohlo pomoci zpřesnit klíčové parametry vesmíru, jako je množství a rozložení temné hmoty nebo vliv temné energie na rozpínání vesmíru.
Ojedinělý případ, nebo špička ledovce?
Zatím byl jasně identifikován pouze tento rotující filament 14 galaxií. Jungin tým a další skupiny však již hledají podobné struktury v různých katalozích galaxií a v nových pozorovacích kampaních. Velkou otázkou je, zda se jedná o vesmírnou raritu, nebo o prvního zástupce mnohem běžnější třídy objektů.
V příštích letech poskytnou mapy vesmíru s dosud nevídanou úrovní detailů projekty, jako je například Square Kilometre Array (SKA), největší radioteleskop na světě budovaný mezi Jižní Afrikou a Austrálií, nebo rozsáhlé mapování v optické a blízké infračervené oblasti (například Legacy Survey of Space and Time na Observatoři Vera C. Rubin). Je velmi pravděpodobné, že díky těmto datům se objeví další kandidátské filamenty vykazující kolektivní rotaci.
Pokud se ukáže, že velkorozměrová rotace je běžná, bude to vyžadovat revizi způsobu, jakým chápeme „klid“ velkorozměrového vesmíru. Klasický obraz vesmíru, kde se nad určitou velikostí vše chová téměř staticky, by mohl ustoupit dynamičtějšímu scénáři s toky, rotacemi a organizovanými pohyby přesahujícími desítky milionů světelných let.
Ohrožuje to standardní kosmologický model?
Když jsou ohlášeny obří struktury nebo neočekávané chování, nevyhnutelně vyvstává otázka: ohrožuje to standardní kosmologický model založený na chladné temné hmotě a temné energii (tzv. model ΛCDM)? V tomto případě je odpověď prozatím opatrná: ne nutně.
Ve skutečnosti je existence filamentů s určitým úhlovým momentem slučitelná s mnoha simulacemi provedenými v rámci ΛCDM. Nové není ani tak to, že filament může rotovat, ale to, že se nám ho podařilo přímo změřit. Spíše než jako hrozba funguje toto zjištění jako dodatečný test modelu: pokud pozorování většího počtu rotujících filamentů budou odpovídat tomu, co předpovídají simulace, model se posílí. Pokud ne, bude třeba zvážit hluboké úpravy.
V každém případě tento objev nutí k doladění statistických a pozorovacích nástrojů. Detekce rotace v tak velkých strukturách je nesmírně obtížná: je třeba oddělit vlastní pohyb galaxií, vliv rozpínání vesmíru a možná zkreslení vnesená způsobem, jakým pozorujeme oblohu. Jungina práce je prvním metodickým krokem, který budou moci použít a zdokonalit další týmy.
Úloha temné hmoty při rotaci vlákna
Jádrem tohoto jevu je opět temná hmota. Ačkoli ji nevidíme, víme, že tvoří asi 85 % celkové hmoty ve vesmíru. Kosmické filamenty jsou v podstatě struktury temné hmoty, ve kterých se „rozsvěcují“ galaxie v místech, kde je hustota dostatečně vysoká na to, aby se plyn zhroutil a vytvořil hvězdy.
Pokud filament rotuje, děje se tak proto, že rotuje i jeho kostra z temné hmoty. To znamená, že úhlový moment není jen vlastností viditelné hmoty, ale celého halo z temné hmoty, které ji obklopuje. Pochopení toho, jak je generován a distribuován úhlový moment v temné hmotě, je jednou z velkých teoretických výzev moderní kosmologie.
V tomto kontextu se struktura objevená oxfordským týmem stává přirozenou laboratoří: místem pro testování hypotéz o povaze temné hmoty, její gravitační interakci a její roli při vzniku galaxií. Není bezdůvodné se domnívat, že v budoucnu mohou pozorování tohoto druhu dokonce pomoci vyloučit alternativní modely temné hmoty, které tuto dynamiku dobře nereprodukují.
Méně statický vesmír, než jsme si mysleli
Dlouhou dobu se kosmologie opírala o představu, že na dostatečně velkých škálách je vesmír homogenní a izotropní: vypadá víceméně stejně ve všech směrech a na všech místech, pokud se podíváme dostatečně daleko. Tato hypotéza zůstává platná jako globální přiblížení, ale objevy jako Quipu nebo toto rotující vlákno ukazují, že na tuto statistickou uniformitu je navrstveno bohatství struktur a pohybů, které teprve začínáme odhalovat.
Vesmír zdaleka není statickým scénářem, ale ukazuje se jako systém v neustálé proměně, kde gravitace tvaruje vlákna, shluky a dutiny a kde i ty nejobrovitější struktury mohou pomalu rotovat po miliardy let. V tomto kontextu je naše galaxie jen dalším malým šálkem čaje, který se otáčí na plošině, o níž jsme si ani nedokázali představit, že by se mohla pohybovat.
Nový rotující obr objevený Jung a jejími kolegy není jen astronomickou kuriozitou: je to klíčový klíč k tomu, jak je vesmír uspořádán na velkých škálách a jak galaxie, včetně té naší, získaly vlastnosti, které dnes pozorujeme. A jak už to ve vědě bývá, každá odpověď otevírá nové otázky: kolik dalších vesmírných vrtulí nás tam venku čeká?