Rotační křivky popisují, jak rychle obíhají hvězdy a plyn kolem centra galaxie v závislosti na jejich vzdálenosti. Již desítky let víme, že pozorované rychlosti jsou mnohem vyšší, než by odpovídalo gravitaci veškeré viditelné hmoty (hvězd, plynu, prachu). Tento rozpor vedl k postulování rozsáhlých, sférických haló temné hmoty, která galaxie obklopují a svou dodatečnou gravitací zajišťují pozorovanou dynamiku. Standardní kosmologický model ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) tyto haló přirozeně předpovídá a jejich vlastnosti se zdály být v dobrém souladu s pozorováním. Nedávné studie, využívající metodu slabého gravitačního čočkování k měření dynamiky na mnohem větších vzdálenostech než dříve, však přišly s překvapivým zjištěním: rotační křivky některých izolovaných galaxií zůstávají téměř ploché (tj. rychlost neklesá) až do extrémních vzdáleností řádu megaparseků. Autoři těchto pozorování interpretovali své výsledky jako silnou výzvu pro model ΛCDM, naznačující, že předpovídaná haló temné hmoty jsou příliš malá nebo mají nevhodný profil hustoty. Nová teoretická práce Antonina Del Popola (University of Catania) a Man Ho Chana (The Education University of Hong Kong) však tuto interpretaci podrobuje kritické revizi a ukazuje, že situace může být složitější – a pro ΛCDM příznivější.

Ploché rotační křivky na obřích škálách. Kredit: MS Copilot AI

Rotační křivky a temná hmota: Klasický obrázek a profil NFW

Připomeňme si nejprve standardní obrázek. V centrálních částech galaxie, kde dominuje viditelná hmota, rotační rychlost obvykle roste se vzdáleností od centra. Dále, v oblastech, kde by již měla dominovat gravitace viditelného disku, bychom očekávali pokles rychlosti podobný tomu v naší Sluneční soustavě (tzv. Keplerovský pokles, v∝1/√r​). Pozorování však ukazují, že rychlost zůstává zhruba konstantní nebo klesá jen velmi pomalu i daleko za viditelným okrajem galaxie.

Toto je klasický argument pro temnou hmotu. Model ΛCDM předpovídá, že galaxie sídlí v centrech rozsáhlých haló temné hmoty, jejichž hustota klesá se vzdáleností od centra pomaleji než hustota viditelné hmoty. Standardní profil hustoty těchto haló, odvozený z numerických simulací v rámci ΛCDM, je známý jako profil Navarro-Frenk-White (NFW). Tento profil, spolu s příspěvkem viditelné hmoty, dokázal obecně dobře vysvětlit pozorované rotační křivky na škálách desítek kiloparseků.

Nová výzva: Ploché křivky sahající k okraji haló?

Nedávné studie využily efektu slabého gravitačního čočkování, konkrétně tzv. "galaxy-galaxy lensing". Tato metoda umožňuje statisticky mapovat rozložení hmoty (včetně temné) kolem galaxií na mnohem větších vzdálenostech, než kam dosáhnou přímá měření rychlostí hvězd nebo plynu – potenciálně až k samotnému okraji haló temné hmoty (tzv. viriálnímu poloměru) a možná i dále, na škály stovek kiloparseků až megaparseků (milionů parseků).

Srovnání rotačních křivek na obr. 2 Mistele et al. (2024a) s rotačními křivkami NFW s popsaným viriálním poloměrem a koncentrací. Chybové úsečky a stínovaný pás označují statistické, resp. systematické chyby. Zdroj: Del Popolo, A., & Chan, M. H. (2025). Flat Circular Velocities on a megaparsec scale from the Lambda-CDM model. arXiv:2504.12662

Výsledky těchto studií pro některé izolované galaxie byly překvapivé: naznačovaly, že průměrná kruhová rychlost zůstává téměř konstantní i na těchto extrémních vzdálenostech. Autoři těchto pozorování argumentovali, že toto je v rozporu s predikcemi ΛCDM. Podle jejich interpretace by standardní NFW haló, zejména u galaxií s menší hvězdnou hmotností, měla mít hustotu klesající na těchto vzdálenostech již natolik rychle, že by se to muselo projevit znatelným poklesem rotační rychlosti. Ploché křivky tak daleko od centra se zdály být pro standardní model ΛCDM problémem.

Odpověď z tábora ΛCDM: Pečlivé modelování je klíč

Právě zde vstupuje do hry práce Del Popola a Chana. Tito teoretici přistoupili k problému z druhé strany: znovu pečlivě prozkoumali, co přesně model ΛCDM předpovídá pro strukturu haló a jejich rotační křivky, když se vezmou v úvahu nuance ve vztahu mezi galaxií a jejím haló.

Jejich klíčovým argumentem je, že interpretace observačních dat a jejich srovnání s teorií vyžaduje přesné modelování. Poukazují na to, že vztah mezi hvězdnou hmotností galaxie a hmotností jejího haló temné hmoty (tzv. Stellar-to-Halo Mass Relation - SHMR) a následně i velikost haló (viriální poloměr) mohou být při použití zpřesněných modelů v rámci ΛCDM poněkud odlišné (často vedoucí k větším odhadům velikosti haló), než jak bylo možná předpokládáno v původní interpretaci čočkových dat.

Srovnání rotačních křivek na obr. 2 Mistele et al. (2024a) s rotačními křivkami pISO s popsaným viriálním poloměrem a koncentrací. Chybové úsečky a stínovaný pás označují statistické, resp. systematické chyby. Zdroj: Del Popolo, A., & Chan, M. H. (2025). Flat Circular Velocities on a megaparsec scale from the Lambda-CDM model. arXiv:2504.12662

Del Popolo a Chan pak spočítali očekávané rotační křivky pro ΛCDM haló s těmito "realističtějšími" parametry, přičemž použili jak standardní NFW profil, tak často používaný fenomenologický pseudo-izotermální (PI) profil (který má konstantní hustotu v centru a klesá pomaleji než NFW ve vnějších částech).

Shoda modelu a pozorování: Záhada vyřešena?

Jejich závěr je pozoruhodný: když se použije tento pečlivější teoretický přístup, předpovězené rotační křivky z modelu ΛCDM jsou v dobrém souladu s pozorovanými plochými křivkami sahajícími až na megaparsekové škály. Shoda je obzvláště dobrá pro galaxie s vyšší hvězdnou hmotností, kde jsou i observační data nejprůkaznější. Ukazuje se, že jak NFW profil (základní predikce ΛCDM simulací), tak zejména PI profil (který může lépe popisovat haló ovlivněná formováním galaxie) dokáží generovat dostatečně ploché křivky na potřebných vzdálenostech, pokud je správně odhadnuta velikost a hmotnost haló ve vztahu k pozorované galaxii.

Výzva pro ΛCDM tedy, zdá se, byla přinejmenším předčasná a mohla pramenit spíše z neúplné teoretické interpretace než z fundamentálního rozporu.

Důsledky a kontext: Síla standardního modelu

Co si z toho odnést? Práce Del Popola a Chana elegantně demonstruje několik důležitých bodů:

1. Robustnost ΛCDM: Standardní kosmologický model, navzdory otevřeným otázkám o podstatě jeho "temných" složek, zůstává pozoruhodně úspěšný a odolný vůči observačním výzvám, pokud jsou jeho predikce pečlivě vyhodnoceny.
2. Význam modelování: Interpretace komplexních astronomických dat, jako je slabé gravitační čočkování na obřích škálách, není triviální a vyžaduje sofistikované teoretické modelování. Spojení mezi viditelnou galaxií a jejím neviditelným haló temné hmoty je složité a zahrnuje jak kosmologii, tak fyziku formování galaxií.
3. Dialog teorie a pozorování: Věda postupuje vpřed právě díky tomuto neustálému dialogu. Nová, překvapivá pozorování (jako extrémně ploché rotační křivky) stimulují teoretiky k zpřesnění modelů a hlubšímu pochopení jejich důsledků. V tomto případě se zdá, že model výzvu ustál.

Závěr: Temná hmota stále drží vesmír pohromadě

Zatímco pátrání po identitě částic temné hmoty intenzivně pokračuje v částicových experimentech a astronomických pozorováních, její role jako gravitačního lešení vesmíru, jak ji popisuje model ΛCDM, se zdá být opět potvrzena. Studie jako ta od Del Popola a Chana ukazují, že tento model má stále silnou vysvětlovací schopnost, dokáže čelit novým výzvám a popisovat vesmír na škálách od jednotlivých galaxií až po kosmologické horizonty. Pečlivá teoretická práce a neustálé ověřování pomocí stále přesnějších dat jsou klíčem k odhalování tajemství kosmu, i těch, která se skrývají v jemných detailech rotačních křivek na samém okraji galaktických haló.

Zdroj: Del Popolo, A., & Chan, M. H. (2025). Flat Circular Velocities on a megaparsec scale from the Lambda-CDM model. arXiv:2504.12662 [astro-ph.GA].