Máme ještě čtyři miliardy let
Letos v únoru objevil Vesmírný dalekohled Jamese Webba S astrofyzikem Petrem Kulhánkem o nově objevených galaxiích, o tom, jak galaxie a hvězdy vznikají, ale i o tom, co se stane, až se Mléčná dráha sloučí s galaxií v Andromedě
neobvyklou populaci galaxií,
které vznikly jen 500 až
700 milionů let po velkém třesku. Diskuse kolem nich neutichla ani po sedmi měsících. Na její současný stav jsme se zeptali astrofyzika Petra Kulhánka.
LN Čím jsou nově objevené galaxie zvláštní?
Jsou jasnější, než by měly být. Podle prvních odhadů by jejich hmotnost měla zhruba stonásobně přesahovat hmotnosti galaxií, které by v daném období podle současných představ mohly existovat. Hned se začalo spekulovat, že vesmír je starší, než si myslíme. Od února už výzkum trochu pokročil, získali jsme z nového typu hvězdných soustav spektra a i z nich to vypadá, že jsou starší, než dovoluje současná teorie. Je to ale jen jedno pozorování.
LN Další vycházejí odlišně?
Máme nezávislé odhady stáří vesmíru z jiných kanálů, které jsou naprosto konzistentní. Je to třeba měření fluktuací v reliktním záření. Jde o signál, který zůstal ve vesmíru z období konce velkého třesku. Napřed ho detailně proměřila sonda WMAP z roku 2001 a věk vesmíru vyšel 13,7 miliardy let s přesností plus minus 0,3 miliardy roku. Další sonda, Planck, z roku 2009 měření zpřesnila na 13,8 miliardy let s přesností 0,1 miliardy roku. Jiná možnost je studium velkorozměrových struktur.
Je tím myšleno uspořádání hmoty ve větších měřítcích, než jsou jednotlivé galaxie nebo galaktické kupy. Můžeme počítat, za jak dlouho mohly tyhle struktury vzniknout. Z numerických simulací opět vychází věk vesmíru 13,8 miliardy roku. Takže dva důvěryhodné kanály, podpořené mnoha experimenty, souhlasí. Proti tomu stojí jedno jediné měření z jednoho přístroje dávající jinou hodnotu. Proto bude potřeba udělat další analýzy.
LN Kde by mohl být problém?
Může to být nějaká systematická chyba. Potíž je, že třeba i ve spektroskopii se neměří stáří vesmíru. Měří se posuvy spektrálních čar. Z těch se pak doba, která uplynula od vzniku vesmíru, složitě dopočítává. Když čtenáři zadají do vyhledávače převod kosmologického posunu spektrálních čar na stáří vesmíru, výsledkem jsou desítky online automatů pro převod a každý dává jiné výsledky. Proto astronomové většinou uvádějí jen červený posuv. Málokdy ho přepočítávají na roky, přepočet totiž není jednoznačný.
LN Co je na galaxii vidět, když k nám její světlo přiletělo z tak hluboké minulosti?
Je to jen flek. Nejsou na něm vidět detaily. U nové populace galaxií se jako první posuzovala jasnost, z toho se pak usuzovalo na množství hmoty. Je to ale jen řádový odhad, dá se z něj zjistit velice málo. Z posunů spektrálních čar pak ale také vyšlo, že objekty jsou nesmírně mladé. Dá se z něj vypočítat rychlost vzdalování a tu je pak podle Hubbleova zákona možné přepočítat na vzdálenost. Zákon nám totiž říká, že čím je od nás objekt dál, tím rychleji se od nás vzdaluje.
LN Z té už by mohlo jít spočítat stáří objektu.
Převod ale funguje jen pro střední kosmologické vzdálenosti. Hubbleův zákon je totiž lineární, ale pro extrémní vzdálenosti se musí použít konkrétní kosmologický model a to je nelineární záležitost. Kosmologické modely berou v úvahu další faktory, které v Hubbleově zákonně nejsou zahrnuty. Edwin Hubble ostatně objevil zákon v roce 1929, když mu tehdejší pozorovací technika umožnila sledovat jen galaxie ve středních vzdálenostech. Dnes ale vidíme dál.
Proto mi připadalo až absurdní, když se začaly objevovat články, že vesmír je dvakrát nebo třikrát starší, než si myslíme. Slušný astronom se něco takového neodváží říct. Ze standardních metod vychází věk vesmíru opravdu přesně a my jim věříme. Spíš by se měla hledat chyba v interpretaci dat z Webbova teleskopu.
LN Nemohly by galaxie začít vznikat dřív po velkém třesku, než se předpokládalo? Stáří vesmíru by se pak nemuselo měnit.
Je to jedna z variant. Nemáme ale moc prostoru, počátek vesmíru je nejasný. První důležitý čas je asi deset na minus desátou sekundy (nula, desetinná čárka, za ní devět nul a pak jednička – pozn. red.). To se objevily všechny čtyři základní síly, jak je známe dnes: silná, slabá, elektromagnetická a gravitace. V deseti mikrosekundách vznikly první protony a neutrony. Když byl vesmír starý několik minut, vznikala první lehká atomová jádra a hmota byla ve formě horkého ionizovaného plynu. Když byl vesmír starý asi 400 tisíc let, začaly vznikat první atomární obaly a objevily se atomy tak, jak je známe dnes. Před touto časovou hranicí se galaxie nemohly začít formovat. Teprve od ní byla ve vesmíru látka, z níž mohly vznikat nějaké struktury.
LN Pokud jsou ale nové galaxie staré 500 milionů let, nějaký čas přece jen měly.
Ano. Pořád předpokládáme, že galaxie vznikaly pozdě. Mohl by se však opakovat scénář, který jsme zažili s hvězdami. Podle starších teorií začaly vznikat až miliardu let po velkém třesku, odhady se ale postupně snižovaly na 400 milionů let, jež naměřila sonda Planck. A pak se ukázalo, že ani to není pravda a první hvězdy vznikaly už 180 milionů let po velkém třesku. Nelze vyloučit, že s dobou vzniku galaxií to bude podobně.
LN Proč jsou hvězdy a další hmota ve vesmíru soustředěné v galaxiích? Nemohly by být rozptýlené rovnoměrně?
Víme, že vesmír není jenom atomární látka, a kromě ní je tady ještě temná hmota. Jsou to nějaké částice, které na své okolí gravitačně působí. Temná hmota má dvě složky: takzvaná horká temná hmota rozptyluje zárodečné struktury do prostoru, naopak působením chladné temné hmoty se zárodečné struktury zase balí do sebe. Po velkém třesku asi chladná temná hmota převažovala. Kdyby totiž dominovala horká temná hmota, struktury by zanikly. Všechno by bylo rovnoměrné.
Představme si, že už je to dost dlouho po velkém třesku, abych měl k dispozici atomární hmotu i chladnou temnou hmotu. Jak z toho vzniknou galaxie?
LN
Přesně to nikdo neví. Obecně jde ale o gravitační nestability. Stačí jen drobné fluktuace, aby se rovnoměrně rozložená látka začala shlukovat. Je to podobný proces, jaký známe u hvězd. Hvězdy vznikají z mlhovin, stačí k tomu nepatrný chuchvalec, který má vyšší hustotu než okolí. Začne na sebe nabalovat hmotu a dál houstnout. Vždycky je to gravitační záležitost.
LN A když se hmota v budoucích galaxiích zahustí, začnou z ní vznikat hvězdy?
To je otázka. Zatím není uspokojivě vyřešeno, zda byly nejprve hvězdy, a z nich se formovaly galaxie, nebo vznikalo obojí současně. Nevíme ani to, jak to bylo se supermasivními černými děrami ve středech galaxií. Vznikly nejdřív černé díry, na které se nabalila hmota galaxií, nebo to bylo naopak? Jediné, co opravdu víme, je to, jak vznikají hvězdy. Z pozorování je známo, že se rodí v takzvaných molekulárních mračnech. Vznik větších struktur je jedna veliká neznámá. S rozlousknutím tohoto problému by nám mohl pomoci právě Webbův dalekohled.
LN Takže na rozdíl od hvězd se u galaxií zatím nepovedlo zpozorovat jejich raná vývojová stadia?
Ne. Vidíme jen hotové hvězdné soustavy nebo chuchvalce, u kterých předpokládáme, že jsou rodícími se galaxiemi. Něco mezi tím jsme ale zatím nenašli.
Jak rodící se galaxie vypadají?
LN
Říká se jim galaktičtí pulci. Jsou to chuchvalce látky, která není organizovaná, nemá spirální ramena. Hmotnost pulce ale odpovídá galaxii. Jelikož ho vidíme z obrovské vzdálenosti, nevíme, jestli obsahuje hvězdy. Nedokážeme je rozlišit. Existuje jen jeden případ, kdy byla v takové zárodečné galaxii zpozorována hvězda. Mohla za to náhoda. Mezi námi a dotyčnou galaxií přešel jiný objekt a jeho gravitace působila jako čočka. Ta nám hvězdu zvětšila. Nevíme ani, jestli jsou v galaktických pulcích supermasivní černé díry.
LN Galaktičtí pulci jsou tedy jiní než letos objevený nový typ hvězdných soustav?
Úplně. Nové galaxie mají navzdory tomu, že byly ve vesmíru už pouhých 500 nebo 700 milionů let po velkém třesku, daleko větší hmotnost.
LN Dají se srovnávat třeba s naší Mléčnou dráhou?
V porovnání s Mléčnou dráhou je nový typ galaxií menší. Naše vlastní hvězdná soustava je poměrně velká, má za sebou už mnoho slučování. Čeká ji taky sloučení s galaxií v Andromedě. Dojde k němu už celkem brzo, očekáváme ho za pouhé čtyři miliardy let.
A co dvě trpasličí galaxie v našem těsném sousedství, Velký a Malý Magellanův mrak?
LN
Ty jsme zatím jen zachytili, ale ještě jsme je nepohltili. V galaktické astronomii existuje v poslední době trend hledání proudů hvězd podobných vlastností. Jsou to pozůstatky bývalých galaxií, které Mléčná dráha pohltila. Známe jich už mnoho desítek.
LN Jak bude naše sloučení s galaxií v Andromedě vypadat?
Obě galaxie mají centrální černou díru. Ty se spojí dohromady. Vznikne silný gravitační záblesk. Prostředí bude bohaté na gravitační vlny, pokud ovšem za čtyři miliardy let bude někdo, kdo by je pozoroval. Dnes mají Andromeda i Mléčná dráha krásnou strukturu spirálních ramen. Během srážky je ale gravitační procesy promíchají a z ramen nezbude vůbec nic. Formování nových by trvalo okolo pěti až deseti miliard let. Během té doby však dojde k dalším srážkám, které strukturu ramen zase naruší. Z Andromedy a Mléčné dráhy tak bude jedna velká eliptická galaxie.
LN Jak ramena vznikají?
Přirozený vývoj je, že se napřed vytvoří shluk hmoty. Už jsme si řekli, že nevíme jak. Ten shluk rotuje. Ramena postupně vznikají působením gravitace v průběhu rotace. Když byl vesmír mladší a vzdálenosti v něm byly menší, srážky galaxií byly velice časté. Jen některé měly dostatek času na zformování ramen. Dnešní velké spirální galaxie vznikly mnoha srážkami s menšími, tzv. trpasličími galaxiemi. Pokud by se srazily s velkou galaxií, o svá ramena by přišly.
LN V jednom rameni Mléčné dráhy jsme i my…
Ano. Srážka galaxií ale není jako srážka aut, při které létají tu plechy, tu ruka, tu utržená hlava. Hvězdy uvnitř galaxií jsou od sebe daleko. K Proximě Centauri to od Slunce máme přes čtyři světelné roky. Kdybychom si přestavovali galaxie jako oblaka pingpongových míčků, měřily by se vzájemné vzdálenosti mezi jednotlivými míčky na kilometry. Když se dvě galaxie srazí, je to spíš prolnutí. Přímá kolize dvou míčků by byla téměř vyloučená.
LN Jak by srážka vypadala ze Země?
Viděli bychom mnoho různých hvězd, které by kolem nás procházely. Trvalo by to ovšem stovky milionů let. Kromě nich bychom viděli i hodně mezihvězdné hmoty. Mlhoviny jsou to, co se při srážce galaxií opravdu potká. Dochází v nich k nestabilitám a překotně vznikají nové hvězdy. Jejich zrod by bylo možné ze Sluneční soustavy pozorovat v přímém přenosu.
To je škoda, že se toho nedočkáme. To je, bude to úžasné divadlo. A navíc bezpečné.