Výzkumy v ASU AV ČR (116): Opticky tmavé oblaky neutrálního vodíku
Otázka chybějících galaktických satelitů je jedním z dosud nevyřešených problémů současné kosmologie. Jde o to, že modely vývoje vesmíru předpovídají, že by mělo existovat asi desetkrát více malých (satelitních, protože často obíhají kolem těch velkých) galaxií, než je pozorováno. Možným řešením je, že některé oblaky temné hmoty (tzv. temná hala) k sobě nepřitáhly dostatek baryonové hmoty (připomeňme, že mezi baryony patří protony a neutrony; baryonovou hmotou se rozumí především hvězdy, mezihvězdný a mezigalaktický plyn, obecně většina hmoty, která není temnou hmotou nebo temnou energií), aby mohly vzniknout hvězdy, a tím i viditelné galaxie. Pak by mělo existovat velké množství tzv. temných galaxií skládajících se téměř výhradně z temné hmoty a obsahujících jen nepatrné množství baryonové hmoty. Kandidáty na tyto temné galaxie jsou např. oblaky neutrálního vodíku pozorované v kupě galaxií v souhvězdí Panny. Jako vysvětlení původu těchto oblaků vodíku byly ale kromě temných galaxií navrženy ještě další dvě hypotézy a pracovníci Oddělení galaxií a planetárních systémů se zaměřili na testování jedné z nich.
Neutrální vodík, tedy plyn skládající se ze samostatných atomů vodíku, lze ve vesmíru dobře pozorovat radioteleskopy díky tomu, že září na vlnové délce 21 cm. Během několika desítek let pozorování bylo zjištěno, že většina neutrálního vodíku se nachází v galaxiích nebo jejich bezprostřední blízkosti, kde tvoří podstatnou část mezihvězdného plynu. Teprve relativně nedávno začaly být díky velmi citlivým přehlídkám oblohy těmi největšími radioteleskopy nacházeny samostatné oblaky vodíku, které nejsou v blízkosti žádných známých galaxií. Patří k nim i šest objektů v blízké kupě galaxií v Panně, které byly nalezeny Rhysem Taylorem v datech získaných radioteleskopem Arecibo s průměrem antény 300 metrů. Tyto oblaky mají každý hmotnost okolo 107 hmotností Slunce a zajímavé jsou především vysokými vnitřními rychlostmi okolo 150-200 km/s, na které ukazuje spektrální šířka pozorované čáry 21 cm. Autoři se zaměřili na studium těchto šesti objektů.
V literatuře byly navrženy v zásadě tři hypotézy o původu těchto oblaků. První předpokládá, že se jedná o pozůstatky srážek nebo blízkých setkání galaxií, při kterých byl neutrální vodík vyvržen do mezigalaktického prostoru. Druhá hypotéza tvrdí, že se jedná o víceméně stabilní turbulentní oblaky, kdy je turbulentní tlak neutrálního vodíku v rovnováze s tlakem okolního horkého řídkého mezigalaktického plynu. Podle poslední hypotézy by pak mělo jít o temné galaxie, tedy oblaky temné hmoty s hmotností okolo 1010 hmotností Slunce, ve kterých rotují disky neutrálního vodíku, příliš řídké na to, aby tvořily hvězdy.
První hypotéza byla testována pracovníky ASU v minulosti (Taylor et al. 2016), a bylo ukázáno, že plyn vyvržený do mezigalaktického prostoru téměř nikdy nemá tak vysoké vnitřní rychlosti, jaké jsou pozorovány. Druhá hypotéza je testovaná nyní.
Autoři práce, Rhys Taylor, Richard Wünsch a Jan Palouš z ASU, provedli sérii hydrodynamických simulací modelujících 400 milionů let vývoje turbulentního oblaku s různými parametry vybranými tak, aby souhlasily s pozorovanými oblaky. Hmotnost oblaku byla tedy okolo 107 hmotností Slunce a teplota 10 000 K, což je typická teplota neutrálního vodíku ve vesmíru. Poloměr oblaků není z pozorování známý, protože i ohromná anténa radioteleskopu v Arecibu vidí celý oblak jako pouhý bod. Proto byly simulovány dva různé hraniční poloměry: malý poloměr 2 kiloparseky (kpc), protože pro menší oblaky by už byla jejich hustota tak vysoká, že by měly začít tvořit hvězdy; a velký poloměr 8 kpc, protože větší poloměr by už radioteleskop viděl jako nebodový objekt. Několik dalších parametrů pak popisovalo turbulentní rychlostní pole oblaku (tak, aby bylo v souladu s teoreticky známými vlastnostmi turbulence a pozorovanou šířkou spektrální čáry) a vlastnosti plynu (např. množství prvků těžších než vodík a helium). Celý oblak byl pak vložen do krychle o hraně 32 kpc, vyplněné plynem s teplotou 107 K a hustotou 30 atomů/m3, což jsou typické vlastnosti mezigalaktického plynu v kupě galaxií v Panně známé z pozorování v rentgenové části spektra. Výpočty probíhaly na superpočítači Salomon Národního výpočetního centra IT4I v Ostravě, a 11 provedených simulací a nezbytné testy spotřebovaly celkem necelých půl milionu jádro-hodin.
Z výsledků numerických simulací zkonstruovali autoři předpovědi profilů spektrální čáry neutrálního vodíku a porovnávali je s reálnými pozorováními včetně odhadu, za jakých podmínek je z pozorování vůbec možné odlišit přítomnost tohoto oblaku od běžného pozadí. Hlavním výsledkem práce je, že v navrženém systému nelze dosáhnout stabilního stavu. V závislosti na počátečních podmínkách začne poměrně rychle oblak buď kolabovat a tvořit hvězdy, nebo se rychle rozprostře do okolí, nebo se prudce ohřeje a vodík se ionizuje. Zatímco původní autoři hypotézy předpokládali na základě zjednodušených analytických odhadů, že vnitřní turbulence oblak proti vlivům vnějšího prostředí stabilizuje, detailní numerické simulace pracovníků ASU ukazují pravý opak. Ve stavu, který odpovídá pozorovaným oblakům, vydrží podle simulací takový objekt maximálně 100 milionů let, tedy příliš krátce na to, abychom v dané kupě galaxií mohly pozorovat tolik izolovaných oblaků s těmito vlastnostmi. Po této době nebo dříve rychlosti vnitřních pohybů v oblaku výrazně klesnou (a tím se zmenší šířka spektrální čáry), nebo se oblak stane pro anténu v Arecibu nerozlišitelným od pozadí.
Výsledky této práce tedy ukazují, že hypotéza turbulentních oblaků v rovnováze s okolím pravděpodobně neodpovídá realitě. Ze tří navržených hypotéz je tedy v současnosti nejnadějnější ta poslední, která předpokládá, že se jedná o temné galaxie. To je podporováno i nedávnými objevy tzv. ultra-difuzních galaxií, které se skládají jen z malého množství hvězd (108 - 109 hmotností Slunce) a několika tisíckrát většího množství temné hmoty. Je možné, že oblaky neutrálního plynu v kupě galaxií v Panně jsou ještě extrémnější objekty, které netvořily hvězdy prakticky vůbec. Autoři z ASU se zaměří na testování hypotézy temných galaxií v budoucích pracích. K tomu pomůže i to, že se jim podařilo získat pozorovací čas na interferometru Karl G. Jansky Very Large Array v Novém Mexiku v USA, který by mohl oblaky rozlišit jako nebodové útvary.
REFERENCE
Taylor, R., Wünsch, R., Palouš, J. Simulating the evolution of optically dark HI clouds in the Virgo cluster: will no-one rid me of this turbulent sphere? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society v tisku, preprint arXiv:1805.03414
KONTAKTY
Dr. Rhys W. Taylor, Ph. D., rhysyt@gmail.com
Mgr. Richard Wünsch, Ph.D., richard@wunsch.cz
prof. RNDr. Jan Palouš, DrSc., palous@ig.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU AV ČR
Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.