Temná hmota a gravitace – 4 teorie v testu proti sobě

Doporučujeme

Problém tří těles: matematika a fyzika za knižní sérií a seriálem Netflixu

23. 4. 2024

Upřesnili limity pro klidovou hmotnost neutrin

22. 4. 2024

Týden na ITBiz: Fotonické čipy ze stolní tiskárny

21. 4. 2024

Dvě teorie temné hmoty, modifikovaná newtonovská dynamika (MOND) a teorie gravitace Erika Verlindea. Která z těchto teorií (modelů) nejlépe vysvětlí naměřená data? Samozřejmě ideálně data nová, při formulování příslušných matematických modelů ještě nezahrnutá.

O pojetí gravitace, které předložil nizozemský fyzik Erik Verlinde, se zde již psalo. Gravitace v tomto pojetí vůbec není základní interakce (takže pak ani netřeba sjednocovat „gravitační“ fyziku teorie relativity a kvantovou fyziku).
Viz také: Holografická gravitace prošla testem

Aktuálně provedené měření gravitace 259 izolovaných galaxií se nedostalo do zásadního sporu s MOND, Verlindeovým modelem, ale ani s jedním modelem s temnou hmotou jako „skutečnou věcí“. Zdrojem dat byl dalekohled VLT, který v Chile provozuje ESO (Evropská jižní observatoř). Základem měření byla tzv. RAR (Radial Acceleration Relation), což je parametr vyjadřující srovnání mezi skutečně naměřenou gravitační silou a gravitační silou, která by odpovídala viditelné hmotě a gravitačnímu zákonu v klasické podobě.
V rámci modelů temné hmoty byly s daty srovnány dva, MICE a BAHAMAS. Zajímavé je, že neobstál mnohem propracovanější model BAHAMAS, který navíc zahrnuje procesy, jimiž by se galaxie podle stávajících znalostí měly formovat. Oba modely jsou si navíc velmi podobné, takže je předpokládalo, že se z hlediska shody s realitou nejspíš nebudou prakticky lišit – a pokud ano, pak lépe ve shodě bude BAHAMAS. To se nepotvrdilo, naopak model BAHAMAS realitě odpovídal nejméně.
Jak rozhodnout mezi zbývajícími třemi možnostmi, které změřeným hodnotám RAR celkem odpovídají? Hlavní autorka studie Margot M. Brouwer uvádí, že použitá data se dají dále rozdělit. Pozorované galaxie mohou být buď relativně mladé modré spirální galaxie, nebo starší červené eliptické galaxie. Tyto galaxie mají rozdílnou evoluci a v modelech, kde je temná hmota „fyzikální (fyzickou) realitou“, by se podíl temné a běžné hmoty v obou typech galaxií mohl/měl lišit. Naopak MOND ani Verlindeova teorie nic takového nepředpokládají.
A výsledek? RAR pro oba typy objektů se liší, takže nejlépe datům odpovídá model temné hmoty („skutečně existující“) BAHAMAS. Margot M. Brouwer ovšem připouští, že oba typy galaxií se mohou lišit i jinak: kolem starých červených eliptických galaxií mohou být s ohledem na jejich vznik velká oblaka plynu (hmotnost cca odpovídá hmotnosti hvězd), kolem mladých modrých spirálních téměř žádná. Další měření ukázala, že rozdíl v množství plynu mezi oběma typy asi opravdu existuje, ale těžko říct, zda na něj lze svést všechno. Na takové rozhodnutí stávající data asi nestačí, ale verze temné hmota ve verzi BAHAMAS by zatím vedla. Až na to, že samotný Erik Verlinde (také člen týmu, který prováděl aktuální výzkum) zase tvrdí, že jeho stávající model vlastně vysvětluje temnou hmotu pouze v jednom typu galaxií a pro další typy galaxií ještě teorii upraví.
Další závěr má paradoxně znít, že „nadbytečnou gravitaci“ dnes dokážeme měřit přesněji než množství viditelné hmoty (ve smyslu běžné hmoty ve formě horkého plynu apod.). Takže přesnější porozumění temné hmotě získáme až s pomocí lepší detekce běžné hmoty, jakou si astronomové slibují např. od chystaného dalekohledu Euclid.

Margot M. Brouwer et al, The weak lensing radial acceleration relation: Constraining modified gravity and cold dark matter theories with KiDS-1000, Astronomy & Astrophysics (2021). DOI: 10.1051/0004-6361/202040108
Zdroj: University of Amsterdam/Phys.org