Objekty v našem vesmíru nezůstávají v čase neměnné, ale vyvíjejí se a pohybují se. Někdy jde přitom i o dosti dramatické události. Zvláště, když hovoříme o tak velkých objektech jako jsou mnohé galaxie. Ty se navíc velmi často nevyskytují jednotlivě, ale v gravitačně vázaných skupinách, jimž říkáme kupy a které obsahují stovky až tisíce jednotlivých galaxií. Kupy galaxií se mohou sdružovat do ještě větších struktur zvaných nadkupy. Těch známe ve viditelném vesmíru zhruba 10 milionů, kup ještě řádově více.
Srážky galaxií
Zdroj: https://www.newscientist.com/
Jednotlivé galaxie v kupách dělí obvykle dosti velké vzdálenosti. Protože jsou ale přesto gravitačně vázány, může čas od času dojít k jejich srážce. Ačkoliv spíše než o srážce bychom měli hovořit o splynutí. Jednotlivé galaxie totiž sice obsahují značné množství, často stovky miliard (největší známé galaxie dokonce stovky bilionů), hvězd, ale mezi nimi se nachází obrovské množství volného prostoru.
Při interakci dvou či více galaxií se tedy jen málokdy stane, že by se objekty typu hvězdy srážely s jinými hvězdami, to už spíše dochází k jejich vymrštění buď do středu galaxie na černou díru nebo naopak pryč do hlubokého vesmíru. I to se však týká jen menšiny hvězd, většina není nikterak zásadně ovlivněna. Vůbec pak není ovlivněna temné hmota, která cítí jen gravitační (a možná slabou jadernou) interakci, takže se vzájemně (ani s objekty z atomární látky) neovlivňuje. Pokud však jde kupříkladu o mezihvězdný plyn, ten se srážet může.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
I naše vlastní Mléčná dráha už v minulosti splynula s jinými galaxiemi, respektive spíše je pohltila, protože šlo obvykle o sousední trpasličí galaxie. To platí i v případě trpasličí eliptické galaxie ve Střelci a Magellanových oblaků, které Mléčná dráha postupně pohlcuje v současnosti a z této události vyjde téměř nezměněna. Nic takového však nebude platit v budoucnu při splynutí s podobně velkou M31, k němu má dojít za několik miliard let, z něhož vznikne jediná velká eliptická galaxie.
Interakce a splývání dvou či více galaxií nejsou ve vesmíru úplně obvyklé, avšak s ohledem na ohromné množství galaxií, v pozorovatelném vesmíru je jich asi 200 miliard, není divu, že občas nějakou takovou událost spatříme. O některých jsme ostatně hovořili už i v našem seriálu S Webbem za hlubokým nebem.
Hubbleovo pozorování
Zdroj: https://cdn.sci.news/
Nedávno se na jednu takovou skupinu interagujících galaxií zaměřil i starší Hubbleův kosmický teleskop. Jde o seskupení SDSSCGB 10189 ležící ve směru souhvězdí Pastýře (latinsky Bootes) asi miliardu světelných let od nás. V této skupině se nachází tři galaxie velmi blízko sebe. Vzdálenosti mezi nimi jsou jen kolem 50 000 světelných let, což je sice na lidské poměry hodně, ale pro galaxie extrémně málo.
Uvědomme si, že nejbližší velká galaxie M31 od nás leží více než 2 miliony světelných let, tedy 40 krát dále. Magellanovy oblaky pak 150 000 respektive 200 000 světelných let, což je trojnásobná, respektive čtyřnásobná vzdálenost. A průměr Mléčné dráhy je pak asi 105 000 světelných let. Nemusím tedy ani tak moc přehánět, když řeknu, že se tyto galaxie v podstatě dotýkají.
Zdroj: https://www.universetoday.com/
V tomto případě téměř jistě dojde ke srážce, přesněji splynutí všech tří galaxií v jednu. Už nyní spolu tyto galaxie interagují a brzy začnou splývat, přičemž vlivem jejich gravitačních účinků dojde k narušení jejich spirální struktury. Výsledkem bude pravděpodobně velká eliptická galaxie. Na obrázku vidíme i několik okolních galaxií, které ale s trojicí přímo neinteragují. Výsledný snímek pořídily přístroje ACS a WFC3.
Závěr
Hubbleův teleskop znovu, jako už tolikrát předtím, perfektně splnil zadání astronomů, kteří chtěli lépe pochopit původ největších a nejhmotnějších galaxií ve vesmíru. Pozorování takovýchto interagujících velkých galaxií bohatých na plyn do této škatulky výborně zapadá. V této oblasti se brzy můžeme těšit i na další zajímavé informace, které by měl získat Webbův dalekohled.
Použité a doporučené zdroje
- Hubble NASA: https://science.nasa.gov/mission/hubble/
- Hubble ESA: https://esahubble.org/
- Hubble Site: https://hubblesite.org/home
Zdroje obrázků
- https://earthsky.org/upl/2019/04/Coma-Cluster-Mosaic-2018-NASA-ESA-scaled.jpg
- https://images.newscientist.com/wp-content/uploads/2019/06/14160539/macs_lg.jpg
- https://smd-cms.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/04/654242main_p1220b3k-jpg.webp
- https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11646e-SDSSCGB-10189.jpg
- https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2023/02/IC-2431-580×382.jpg
Omlouvám se, možná se opět zeptám nevhodně, tentokrát u srážek galaxii. Píšete, „vůbec pak není ovlivněna temná hmota, která cítí jen gravitační (s možnou slabou) interakci.
Ale při srážkách se v té části vesmíru deformuje gravitační pole, to by mohlo temnou hmotu ovivnit, třeba statisticky v rozložení.
Hezký den
Jiří -gt-
On se teda spíše deformuje prostoročas, ale to teď nechme stranou.
Temná hmota je ve vesmíru dominantní (pokud pominu temnou energii, ta je trochu stranou). To znamená, že všechno to co vidíme je jen malý zlomek té skutečné hmoty, která tam je. Ve skutečnosti je tedy kolem těch galaxií halo temné hmoty se zhruba šestkrát vyšší hmotností.
Jenže zatímco se běžná hmota ovlivňuje elektromagneticky, u temné hmoty toto není. Takže ano, ke změnám deformací prostoročasu určitě dochází. Ale není to tak, že by to ovlivňovalo temnou hmotu, spíše sama temná hmota to ovlivňuje a ovlivňuje pak i všechno ostatní. Protože pokud je jí několikanásobně více oproti hmotě běžné, ani to nemůže být tak, že by něco dělala běžná hmota a ta temné ji jen následovala.
Zde ale hovořím přímo o těch konkrétních srážkách či splynutích chcete-li. Když k tomu dojde, tak plyn z obou (nebo více) galaxií se sráží, běžné objekty se nějak prolnou, některé se ovlivní, jiné (většina) nikoliv, ale pro temnou hmotu to neznamená téměř nic. Částice temné hmoty (ať už jakékoliv) se vzájemně vůbec neovlivňují. Tedy respektive ony se ovlivňují slabě a gravitačně, ale tyto interakce jsou de facto zanedbatelné. To znamená, že se částice temné hmoty prostoupí, ale nikterak se neovlivňují. Nesráží se vzájemně, ani se nijak nevychylují, prostě se dále drží svých původních trajektorií.
Tedy jinými slovy, ten můj citovaný výrok byl myšlen z hlediska té samotné srážky a jejího průběhu. Kdy se ovlivňuje plyn z obou galaxií tím, že se sráží, běžná hmota se také nějak ovlivňuje, některé objekty se srazí, jiné změní dráhy. To pro temnou hmotu ale neplatí, tak těmito ději ovlivněna není. Můžeme samozřejmě debatovat o slabé jaderné interakci či gravitačním působení mezi jednotlivými částicemi temné hmoty, ale to je natolik marginální, že to uvažovat nemusíme. Proto mohu tvrdit, že temná hmota ovlivněna není.
Nějak se mi to nezdá. Nevím, zda je známo, jak je rozložená temná hmota v galaxiích. Předpokládám, pro zjednodušení, že rovnoměrně s tím, že těžiště temné hmoty je přibližně v centru galaxií – jinak by asi běžná hmota s temnou hmotou rotovaly kolem sebe. Když pak se galaxie srážejí, tak jak nakonec rotují černé díry, tedy celé galaxie, kolem sebe, tak musí kolem sebe i rotovat centra temné hmoty jednotlivých galaxií. Po nějaké dlouhé době, vlivem vzájemného působení gravitace (hvězd, mezihvězdného plynu a prachu a temné hmoty), galaxie a jejich černé díry a zřejmě i centra temné hmoty splynou.
„Předpokládám, pro zjednodušení, že rovnoměrně s tím, že těžiště temné hmoty je přibližně v centru galaxií – jinak by asi běžná hmota s temnou hmotou rotovaly kolem sebe.“
Spíše bych řekl, že těžiště (správněji hmotný střed, ale to už je detail) galaxií je v místě nejvyšší hustoty temné hmoty. Jak už jsem uvedl, temné hmoty je více, takže na sebe nabalovala běžnou hmotu, nikoliv naopak.
Kolem každé galaxie (téměř každé, aby mě někdo nechytal za slovo) je halo temné hmoty. Najdeme ho pochopitelně i u Mléčné dráhy. Hustota temné hmoty směrem od středu Galaxie klesá, přičemž je tato temná hmota pravděpodobně ve stavu maximální entropie (to je velmi důležité, ale vysvětlit to by chvíli trvalo). A toto halo sahá daleko za hranici běžně viditelné hmoty Mléčné dráhy a není diskovité, ale kulové. To jsou jen stručně základní fakta. Takže to není úplně na 100 % rovnoměrně, ale není to úplně špatný předpoklad.
„Když pak se galaxie srážejí, tak jak nakonec rotují černé díry, tedy celé galaxie, kolem sebe, tak musí kolem sebe i rotovat centra temné hmoty jednotlivých galaxií.“
Galaxie kolem sebe nemusí úplně nutně rotovat. Když menší galaxii pohlcuje větší, tak to tak velmi často je, ale při splynutí velkých galaxií celý proces může probíhat výrazně složitěji.
Černé díry se také nutně nemusí srazit. Byť většinou k tomu dochází. Centra temné hmoty kolem sebe rotovat nemusí. Když si nasimuloujeme srážky velkých spirálních či eliptických galaxií, popřípadě kup galaxií (třeba Bullet Cluster) vidíme, že ty procesy jsou poněkud odlišné a výrazně složitější. Temná hmota se tam vzájemně neovlivňuje, ale spíše se nějakým způsobem prolne a pokračuje dále ve své původní trajektorii. Částice temné hmoty na sebe vůbec nijak nepůsobí, protože necítí jinou než gravitační a slabou jadernou interakci (a tu jen možná).
„Po nějaké dlouhé době, vlivem vzájemného působení gravitace (hvězd, mezihvězdného plynu a prachu a temné hmoty), galaxie a jejich černé díry a zřejmě i centra temné hmoty splynou.“
Může se stát, že společně galaxie splynou a pak příslušně zareaguje i halo temné hmoty. Nicméně ono tak docela nesplyne s druhým, spíše se zvětší. Analogicky u kup galaxií. Ono teda zase trochu závisí na tom, co považujete za ovlivňování. Já jsem to myslel tak, že částice temné hmoty se ani v tomto případě neovlivňují a neinteragují spolu. Ke splynutí dojde vlivem gravitace, tedy zakřivení prostoročasu. Částice temné hmoty ale mají tak zanedbatelnou gravitaci, že se vzájemně vůbec nijak neovlivňují. Jedna částice temné hmoty nemá žádný vliv na další částici temné hmoty. To, že dojde v důsledku relativistických jevů ke splynutí galaxií/kup je něco jiného. Neznamená to, že se částice temné hmoty vzájemně ovlivňují.
I pro galaxie a kupy galaxií vč. jejich temné hmoty musí platit zákony nebeské mechaniky, musí tedy obíhat kolem svého gravitačního centra po kuželosečkách, tedy většinou elipsách. Avšak vzhledem k jejich velikosti a relativní blízkosti zde musí hrát velkou roli slapové síly, odpor mezihvězdného a mezigalaktického prostředí, aj. vlivy, takže ty dráhy budou samozřejmě složitější.
Z hlediska gravitačního působení není rozdíl mezi běžnou a temnou hmotou a proto, aby galaxie splynuly, musí především splynout jejich hala temné hmoty. Musí se tedy vlivem slapových sil aj. zbavit své přebytečné energie.
Částice temné hmoty se vzájemně reálně vůbec nijak neovlivňují a neinteragují spolu (kromě gravitační interakce, která je mezi jednotlivými částicemi tak extrémně malá, že ji lze zcela zanedbat). Jedna částice temné hmoty neinteraguje žádným způsobem s jinou částicí temné hmoty. Proto mohu tvrdit, že spolu temná hmota neinteraguje. Možná by bylo lepší napsat bezprostředně neinteraguje, ale co už.
Spojení vlivem zakřivení prostoročasu, k němuž dochází, je něco jiného než vzájemné ovlivňování se částic temné hmoty, k němuž naopak skutečně nedochází. Temná hmota se volně prolíná, jakoby jiné její částice (nebo částice baryonové hmoty) vůbec neexistovaly.
Dominantní je temná hmota. Platí to pro temnou hmotu včetně jejích galaxií. Naopak je to jako kdybych tvrdil, že mé kočky bydlí u mě. Ve skutečnosti je to tak, že ony jsou hlavy rodiny, takže já bydlím (zcela samozřejmě) u nich.
A mimochodem, že není z hlediska gravitace rozdíl mezi temnou a běžnou hmotou nevíme s naprosto stoprocentní jistotou. Je to sice dominantní názor ve fyzice a mělo by to tak být. Víme i že temná hmota gravitaci cítí. Ale vzhledem k tomu, že nevíme dosud jaké částice ji tvoří nemůžeme si být zcela jistí, že tam nějaký rozdíl, byť zanedbatelný není. Sice by mě nesmírně překvapilo, kdyby to bylo jinak, no ale na sto procent to vyloučit nemohu. A ano, teď zcela cíleně vymýšlím fantaskní scénáře, které na 99,99999 % neplatí…
Podle obecné teorie gravitace je gravitace druhou stránkou deformace prostorčasu a z toho hlediska tuto deformaci tedy gravitaci vyvolává jakákoliv hmota nebo dokonce energie vč. gravitace samé. Proto, když dále píší o gravitaci myslím tím i její druhou stránku – deformaci prostorčasu.
Rychlostní křivky galaxií v galaktické kupě se většinově vysvětlují působením temné hmoty. Zřejmě jsou zde dvě možnosti:
1. Centrum temné hmoty galaktické kupy je v těžišti celé kupy, galaxie žádné centrum temné hmoty nemají.
2. Většina galaxií kupy mají své centra temné hmoty a obíhají kolem těžiště celé kupy.
Je asi zřejmé, že (většinově?) platí druhá možnost.
Podotýkám, že baryonová hmota v galaxiích cca 6x slabší gravitační působení oproti temné působení temné hmoty, ale i tak ovlivňuje tu temnou hmotu, tak jak méně hmotný Měsíc vyvolává slapové jevy na Zemi (např. zpomaluje její rotaci). Proto splynutí galaxií a jejich centrálních černých děr je možné, až splynou jejich gravitační centra.
Díky za další úžasný článek
Chtěl jsem se zeptat, zda při splynutí galaxií dojde i ke splynutí centrálních černých děr a jaký je vztah mezi těmito dvěma událostmi (vždy, někdy, většinou?)
Díky a hezký den
Radek
Dobrý den. Děkuji moc za pochvalu.
Ano, při splynutí dvou galaxií dochází též ke splynutí černých děr. Tedy pokud je tyto galaxie mají, ale naprostá většina galaxií je má. Výjimky jsou pouze u malého počtu velmi malých galaxií. Takže pokud se bavíme o normálních galaxiích typu Mléčná dráha (i dosti menších), pak ano dochází a to téměř vždy. Výjimečně může dojít k tomu, že je jedna z černých děr vykopnuta ze soustavy a pak volně pluje vesmírem, ale k tomu dochází spíše v případě, kdy se srážejí tři nebo více galaxií. Pokud ale obě díry v soustavě zůstanou, srazí se vždy, byť ne vždy k tomu dojde hned. Proto známe i některé dvojice supermasivních černých děr. Ty se teprve srazí v budoucnu.
S tím slučováním černých děr ve středech galaxií to taky není moc jisté, protože když se to spočítalo, tak se zjistilo, že černé díry se přiblíží řádově na parsek k sobě, ale při tom už „vyžerou“ všechno kolem co je zpomaluje, takže finální přiblížení by jim průměrně mělo trvat déle, než je stáří vesmíru. Jde o tzv. „problém posledního parseku“ a moc se neví, jak to tedy je. Buď se ty díry neslučují, nebo nerozumíme tomu, jak probíhá ztráta energie, tzv. „dynamické tření“. (ztráta vlivem gravitačních vln je v této vzdálenosti také ještě příliš malá, ta začne účinkovat až ve vzdálenostech řádu světelných dnů)