Na čem se pracuje v Ondřejově (4): Předpověď slupky v galaxii NGC3923: cesta k ověření alternativní teorie gravitace?

02.08.2014 08:00

Dnes je nejuznávanější teorií popisující pohyb kosmických těles obecná teorie relativity, jejímž speciálním případem je klasická newtonovská dynamika tak, jak se ji učí i studenti středních škol. Klasická dynamika však nesprávně vysvětluje např. rotační křivky galaxií, tedy závislost průměrné rychlosti rotace galaxie na vzdálenosti od jejího středu. Nesoulad je nejčastěji vysvětlován přítomností skryté látky (temné hmoty). Nesoulad mezi pozorováním a předpovědí lze alternativně vysvětlit i tím, že popis newtonovskou mechanikou není správný, vznikla modifikovaná newtonovská dynamika (MOND). Michal Bílek a jeho kolegové z AsÚ vysvětlili na základě aplikace MOND strukturu slupkové galaxie NGC3923 a navíc učinili předpověď, na jejímž základě lze hypotetickou platnost MOND přímo otestovat.
Podstatou MOND je představa, že v “běžném režimu”, tedy při zrychleních větších než 10 na mínus desátou m/s2, je pohyb těles popsán velmi dobře newtonovskou dynamikou. Avšak jsou-li ve hře zrychlení menší než tato hraniční hodnota, což je typicky příklad vzdálených oblastí galaxií, je z nějakého důvodu přitažlivá gravitační síla efektivnější a tělesa se pohybují jinak. Není potom nutné doplňovat do hala galaxií hypotetickou skrytou látku, která se projevuje právě silnější gravitací, v důsledku čehož tyto vnější oblasti galaxií rotují rychleji, “než by měly”, neboť zvýšená účinnost gravitačního přitahování je podle MOND již přímo vlastností této interakce. MOND si získal uznání díky své pozoruhodné předpovědní síle ve spirálních galaxiích. Zde navíc dokáže příčinně vysvětlit různé vztahy mezi fyzikálními veličinami známými z pozorování, které jsou z hlediska teorie temné hmoty jen shodou náhod. Testy MOND v eliptických galaxiích jsou dosud vzácné, protože se v nich téměř veškerá hmota nachází v režimu silného gravitačního pole.
Slupkové galaxie jsou vhodným cílem pro testování správnosti MOND v eliptických galaxiích. Slupkové galaxie jsou galaxie, u nichž jsou v optickém oboru pozorovány tzv. slupky, tedy jakési obloukovité schodovité nerovnoměrnosti v jasnosti a tedy v hustotě hvězd. Předpokládá se, že tyto slupky jsou pozůstatkem čelní srážky s další, menší galaxií. Jakmile dosáhne projektilová galaxie středu větší kolegyně, je slapově roztrhána na jednotlivé hvězdy a ty se pak chovají jako testovací částice a oscilují v gravitačním poli velké galaxie. Jakmile dosáhnou apocentra (nevzdálenějšího bodu dráhy), zpomalí, a vytvoří hustotní strukturu kterou pozorujeme jako slupku. Při každé oscilaci se vytvoří další slupka.
Poloměry jednotlivých slupek jsou funkcí pouze charakteru gravitačního potenciálu galaxie a času uplynulého od srážky. To z nich dělá jedny z nejvhodnějších objektů pro testování gravitačních teorií a to zejména vzdálené slupky, jež se již nacházejí v režimu “malých zrychlení”, v němž se uplatňují efekty MOND.
Autoři tedy zkonstruovali síť modelů srážek dvou galaxií a porovnávali předpovězený výskyt slupek s 25 slupkami známými z pozorování. Autoři počítali i s tím, že nejsou známy všechny slupky a tudíž některé “mezilehlé” mohou v pozorováních chybět, neboť jsou příliš slabé. Algoritmus také otestovali v případech, kdy byla odpověď známa, a počítačový program neselhal.
Všechny možné kombinace modelových situací vedly k jednomu společnému závěru: jedna vnější slupka v pozorováních chybí, a to ta vytvořená jako úplně první při prvním průchodu projektilové galaxie centrem větší. A teď to nejdůležitější: podle předpovědi M. Bílka by měla být pozorovatelná! Jak doslova uvádějí v závěru článku: “Objev nové slupky v předpovězené pozici by evidentně podpořil platnost MOND. Pokud nebude slupka objevena, nemá tento fakt vliv na platnost MOND, protože slupka může jednoduše být pod naším detekčním limitem. Avšak, pokud bude nová slupka objevena ve výrazně jiné pozici než předpovídáme, nebo budou-li objeveny dvě nebo více nových slupek, může to být pro platnost MOND problém.”
M. Bílek a jeho spolupracovníci již získali přidělený pozorovací čas na velkém dalekohledu s dosahem pozorování dostatečným k pozorování chybějící slupky v galaxii NGC 3923 podle předpovědi jejich posledního článku. Půjde-li tedy vše dobře, již v prvních měsících roku 2015 budou tato pozorování k dispozici. Počkejme si tedy a můžeme být svědky přerodu moderní fyziky.

 

Doplňující materiál: Animace z numerické simulace ukazující vznik slupek v galaxii.
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2007/39/video/a/

Reference: Bílek, M. a kol., MOND prediction of a new giant shell in the elliptical galaxy NGC3923, Astron. Astrophys. 566 (2014) A151, arXiv:1404.1109v2

Kontakt: Mgr. Michal Bílek, michal.bilek@asu.cas.cz

Převzato z webu Astronomického ústavu AV ČR