Téměř čtvrtinou (23%) se na složení vesmíru podílí temná hmota - tajemná, neviditelná, projevující se jenom svým gravitačním působením na okolí. Představuje jednu z tajenek, kterou se moderní kosmologie snaží vyřešit již přes tři čtvrtě století. Jedno písmenko do ní vkládá i nový výzkum vzdálených kup a skupin galaxií (kupa – gravitační seskupení stovek až tisíců galaxií, skupina – desítek galaxií), na kterém spojilo své síly třicet vědců z renomovaných pracovišť, jakými jsou německý Max Planckův ústav pro mimozemskou fyziku (Max Planck Institut für extraterrestrische Physik), francouzská Laboratoř pro astrofyziku v Marseille a americká Lawrencova národní laboratoř v Berkeley. Hledali závislost mezi celkovým množstvím hmoty (temné +„normální“), která se projevuje svými gravitačními účinky a rentgenovou svítivostí produkovanou výlučně známou formou hmoty. Doposud byl tento vztah (hmota – svítivost) známý pro bližší galaktická seskupení, nové výsledky, publikované v nejnovějším vydání časopisu Astrophysical Journal ho rozšiřují i pro 206 mnohem vzdálenějších kup a skupin galaxií (ve vzdálenosti asi 3 až 7 miliard světelných let).
Svítivost vědci určili na základě analýz snímků evropské rentgenové kosmické sondy XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission – Newton) a americké rentgenové sondy Chandra. Jejich ostrý rentgenový zrak umožňuje rozlišit detaily na velké kosmické vzdálenosti. „Schopnost sondy XMM-Newton poskytnout data pro tvorbu katalogů kup galaxií v hlubokých polích je obdivuhodná,“ uznaně přízvukuje jeden z autorů práce, Alexis Finoguenov z Ústavu Maxe Plancka.
Ale jak změřit celkovou hmotnost vzdálených galaktických kup a skupin? Řešení nabízí jeden z důsledků teorie relativity – gravitační čočka. K tomuto jevu dochází, protože hmotný objekt zakřivuje svůj okolní prostor. Světelné paprsky ze zdroje, který se vzhledem na pozorovatele nachází za hmotným tělesem, při prolétání deformovaným prostorem také zakřivují své dráhy a to tím více, čím je objekt hmotnější a čím více se k němu přiblíží. Pro pozorovatele se pak obraz vzdálenějšího zdroje záření posouvá, může se rozdělit na více obrazů, nebo jinak zkreslit. Přesné měření takových poruch pak umožňuje stanovit hmotnost objektu, ze kterého se stala gravitační čočka a to díky vhodné prostorové konstelaci pozorovatel – hmotný objekt – zdroj záření.
V případě studie velmi vzdálených objektů je ale efekt gravitační čočky příliš slabý, případné rozdľlení obrazu je nerozlišitelné. Jedinou možnost skýtá statistické vyhodnocení dodatečných slabých optických poruch v obrazu vzdálených galaxií. Pro získání korektních výsledků je ale nevyhnutné znát těžiště jednotlivých galaktických seskupení.
"Problém s kupami galaxií s vysokým rudým posuvem (tedy velmi vzdálených) spočívá v tom, že je obtížné přesně určit, které galaxie se nacházejí v centru kupy. A právě to řeší rentgenová měření. Svítivost kupy galaxií v rentgenovém spektru umožňuje určit střed velice přesně," vysvětluje Alexie Leauthaudová z laboratoře v Berkely. Tak snímky ze sondy Newton pomohly mezinárodnímu týmu určit celkovou hmotnost vzdálených skupin a kup galaxií s mnohem větší přesností, než kdykoli předtím.
Dalším krokem bylo vynesení zjištěné rentgenové svítivosti každé galaktické kupy do grafu v závislosti od její hmotnosti, stanovené pomocí gravitační čočky. Výsledkem je určení korelačního faktoru mezi hmotností a svítivostí pro soubor méně hmotných a vzdálených kup galaxií. V rámci spočítatelné míry neurčitosti přímka této závislosti má stejný sklon pro blízké galaktické struktury, zkoumané dávněji i pro vzdálené galaxie, studované nyní. To znamená, že celkovou hmotu (baryonickou + temnou) skupin a kup galaxií propojuje konzistentní úměra s jejich rentgenovou zářivostí, která souvisí výlučně s přímo pozorovatelnou baryonickou hmotou.
"Potvrzením vztahu hmotnost-svítivost a jeho rozšířením pro vysoké hodnoty rudého posuvu jsme udělali malý krok směrem k využití slabé gravitační čočky pro výzkum vývoje kosmických struktur," tvrdí francouzský fyzik Jean-Paul Kneib.
Nezřetelné, ale přece jen viditelné stopy po vzniku galaxií je možné odhalit v mizivých teplotních rozdílech ve vesmírném mikrovlnném pozadí. Jsou odrazem dávných nepatrných nehomogenit v hustotě horkého raného vesmíru. Nehomogenit, které souvisí i s prostorovým rozložením temné hmoty.
"Jemné rozdíly v mikrovlnném kosmickém pozadí představují otisky temné hmoty, která v průběhu času vytvořila kosmická lešení pro galaxie, které dnes vidíme," říká George Smoot, ředitel Centra pro kosmologii v Berkely, jeden z laureátů Nobelové ceny za fyziku v roce 2006, udělenou právě za měření anizotropie v mikrovlnném kosmickém pozadí. "Je to vskutku vzrušující, že můžeme pomocí gravitační čočky reálně měřit, jak se temná hmota zhroutila do struktur a jak se tyto vyvíjely od vesmírných počátků."
Cílem výzkumu vývoje těchto struktur je snaha o pochopení co se pod pojmem temná hmota ukrývá, jaká je její interakce s „běžnou“ hmotou, kterou dokážeme pozorovat pomocí záření. Podobným úkolem je pochopení podstaty tajemné temné energie, jež urychluje rozpínání vesmíru. Kolem ní vyvstává množství nezodpovězených otázek. Nevíme co to vlastně je, pozorujeme jen její působení na prostor, nejsme si jisti, jestli je konstantní, nebo dynamická, dokonce jestli to náhodou není jenom „iluze“ způsobená například omezením platnosti všeobecné teorie relativity. I určení závislosti hmotnost – svítivost přispívá k hledání odpovědí na dráždivé otázky o roli temné hmoty při tvorbě vesmírných struktur a o protikladném působení gravitace a temné energie při formování celého vesmíru.
Zdroje: ESA News , Astrophysical Journal