Mezinárodní tým astronomů využil metodu známou jako mapování světelných ozvěn (v angličtině reverberation mapping), která se běžně používá ke studiu černých děr. Tentokrát ji však vědci nasadili s cílem zjistit, zda gravitační působení v okolí superhmotných černých děr neukazuje na přítomnost dosud neviditelné hmoty. Výsledky naznačují, že alespoň v některých galaxiích se skutečně nachází více hmoty, než kolik lze vysvětlit samotnou černou dírou a běžnou viditelnou látkou.

Temná hmota je všude, ale nikdo ji neviděl

Temná hmota představuje a ještě hodně dlouho bude představovat jednu z největších nevyřešených záhad moderní fyziky. Podle současných odhadů jí ve vesmíru existuje přibližně pětkrát více než veškeré běžné hmoty, ze které jsou tvořeny hvězdy, planety, plyn i lidé. I tak ji astronomové nikdy přímo nepozorovali.

Je to kvůli tomu, že temná hmota nevyzařuje, neodráží ani nepohlcuje světlo ani jiné elektromagnetické záření. Pro všechny současné teleskopy je prakticky neviditelná. Její existence se odvozuje pouze z gravitačních účinků, které má na okolní objekty.

Jedním z nejznámějších důkazů jsou například hvězdy na okrajích galaxií. Ty obíhají kolem galaktického středu mnohem vyššími rychlostmi, než by odpovídalo množství viditelné hmoty. Bez dodatečné gravitace by se z galaxií jednoduše odtrhly a odletěly do mezigalaktického prostoru. Ale přítomnost temné hmoty tento rozpor svým způsobem vysvětluje.

Co se děje v blízkosti superhmotných černých děr

V nové studii se vědci zaměřili na samotná centra galaxií, kde dominuje gravitační vliv superhmotných černých děr o hmotnosti milionů až miliard Sluncí, jejichž okolí bývá mimořádně aktivní.

Kolem mnoha těchto černých děr se nachází akreční zploštělý disk tvořený plynem a prachem, který se postupně spirálovitě přibližuje k černé díře. Při tomto procesu dochází k obrovskému tření, které materiál zahřívá na extrémní teploty. To pak vede k produkci intenzivního záření, díky němuž patří aktivní galaktická jádra mezi nejjasnější objekty ve vesmíru.

Temná hmota se však chová úplně jinak. Nevzniká u ní tření, neinteraguje běžným způsobem s okolní látkou a nevyzařuje světlo. Ani nejvýkonnější současné přístroje, například teleskop Event Horizon Telescope, který pořídil slavné snímky okolí černé díry Sagittarius A* nebo černé díry v galaxii Messier 87, proto nemohou temnou hmotu přímo zachytit.

Světelné ozvěny jako nový způsob hledání

Student fyziky Mayank Sharma z Virginia Tech přišel s nápadem využít metodu reverberačního mapování trochu jiným způsobem.

Princip této techniky připomíná ozvěnu zvuku v horách, jen místo zvuku se využívá světlo. Když část materiálu spadne do černé díry, uvolní se velké množství energie a akreční disk krátce výrazně zesílí svůj jas. Tento světelný impulz putuje okolním prostorem a dopadne na vzdálenější oblaka plynu.

Plyn světlo pohltí a po krátkém zpoždění začne zářit také. Astronomové tak zaznamenají nejprve původní záblesk z akrečního disku a o něco později jeho světelnou „ozvěnu“.

Protože rychlost světla je přesně známá, lze z časového rozdílu mezi oběma impulzy vypočítat vzdálenost plynových oblaků od černé díry. Podobná měření se již dlouhou dobu využívají k určování hmotnosti superhmotných černých děr.

Nová studie však ukazuje, že stejná data mohou prozradit ještě něco navíc - zda v okolí černé díry nepůsobí další gravitační hmota, kterou nelze vysvětlit běžnými objekty.

Pět galaxií vykázalo nečekané výsledky

Výzkumníci svou metodu aplikovali na celkem čtrnáct galaxií. V pěti z nich zjistili, že hmotnost systému se se vzrůstající vzdáleností od centrální černé díry zvětšuje více, než by odpovídalo samotné černé díře a pozorované běžné hmotě.

Jinými slovy, gravitační pole těchto galaxií naznačuje přítomnost dalšího materiálu, který zatím nedokážeme přímo pozorovat. Jedno z možných vysvětlení je temná hmota soustředěná v okolí superhmotných černých děr.

Samotní autoři studie ale zdůrazňují, že nejde o definitivní důkaz existence temné hmoty v těchto oblastech. Na to si ještě hodně dlouho počkáme. Zatím se jedná pouze o velmi zajímavou indicii, kterou bude nutné ověřit dalšími pozorováními i nezávislými metodami.