Introduktion
I 2016 blev astronomer ledet af Pieter van Dokkum fra Yale University udgivet et bombepapir hævder opdagelsen af en galakse så dunkel, men alligevel så bred og tung, at den må være næsten fuldstændig usynlig. De vurderede, at galaksen, kaldet Dragonfly 44, består af 99.99 % mørkt stof.
Der opstod en heftig debat om Dragonfly 44's egenskaber, som forbliver uafklarede. I mellemtiden er mere end 1,000 tilsvarende store, men svage galakser dukket op.
Dragonfly 44 og dens lignende er kendt som ultra-diffuse galakser (UDG'er). Selvom de kan være lige så store som de største almindelige galakser, er UDG'er usædvanligt svage - så svage, at det i teleskopundersøgelser af himlen "er en opgave at filtrere støjen fra uden ved et uheld at bortfiltrere disse galakser," sagde Paul Bennet, en astronom ved Space Telescope Science Institute i Baltimore. Den lyse stjernedannende gas, der er rigelig i andre galakser, ser ud til at være forsvundet i UDG'er og efterlader kun et skelet af ældre stjerner.
Deres eksistens har forårsaget røre i den galaktiske evolutionsteori, som ikke kunne forudsige dem. "De dukkede ikke op i simuleringer," sagde van Dokkum. "Du skal gøre noget særligt for at gøre en galakse så stor og svag."
Vilde nye teorier er dukket op for at forklare, hvordan Dragonfly 44 og andre UDG'er opstod. Og disse gigantiske pletter af lys kan være et nyt bevis på mørkt stofs usynlige hånd.
For meget mørkt stof
Efterhånden som tyngdekraften bringer klumper af gas og stjerner sammen, får deres kombinerede energier og momentum mashup'et til at pustes op og rotere. Til sidst dukker en galakse op.
Der er kun et problem. Når galakserne roterer, bør de skilles ad. De ser ikke ud til at have nok masse - og dermed tyngdekraften - til at holde sammen. Begrebet mørkt stof blev opfundet for at give den manglende tyngdekraft. På dette billede sidder en galakse inde i et større konglomerat af ikke-lysende partikler. Denne mørke stof "halo" holder den roterende galakse sammen.
En måde at estimere en galakse rotationshastighed, og dermed dens indhold af mørkt stof, er ved at tælle dens sfæriske klynger af stjerner. "Vi ved ikke hvorfor, set fra et teoretisk synspunkt," sagde Bennet, men antallet af disse "globulære klynger" korrelerer tæt med de egenskaber, der er sværere at måle. I 2016-avisen talte van Dokkum 94 kuglehobe inde i Dragonfly 44 - et tal, der antydede en ekstraordinært stor mørk stof-halo, på trods af hvor lidt synligt stof galaksen har.
Ingen havde nogensinde set noget lignende. Van Dokkum og medforfattere foreslog, at Dragonfly 44 kunne være en "mislykket Mælkevej": en galakse med en Mælkevejs-størrelse af mørkt stof-halo, der tidligt gennemgik en mystisk begivenhed, der frarøvede den sin stjernedannende gas og efterlod den med intet andet end aldrende stjerner og en kæmpe glorie.
Eller intet mørkt stof
Objektet tiltrak sig interesse fra en anden lejr af astronomer, der hævder, at mørkt stof slet ikke eksisterer. Disse forskere forklarer galaksers manglende tyngdekraft ved i stedet at justere Newtons tyngdelov, en tilgang kaldet modificeret Newtonsk dynamik eller MOND.
Ifølge MOND beregnes den modificerede gravitationskraft for hver galakse ud fra masse-til-lys-forholdet mellem dens stjerner - deres samlede masse divideret med deres lysstyrke. MOND-teoretikere spekulerer ikke i, hvorfor kraften ville afhænge af dette forhold, men deres ad hoc-formel matcher de observerede hastigheder i de fleste galakser, uden at det er nødvendigt at påkalde mørkt stof.
Da der kom nyheder om Dragonfly 44, fortaler MOND Stacy McGaugh, en astronom ved Case Western Reserve University, beregnede ud fra dets masse-til-lys-forhold, at den skulle rotere langsommere end van Dokkums oprindelige estimat indikerede. MOND-beregningen syntes ikke at passe til dataene.
Introduktion
Men så i 2019 nedjusterede van Dokkums gruppe Dragonfly 44's rotationshastighed ved hjælp af forbedrede data. MOND blev bekræftet. "Dragonfly 44 er et eksempel på, hvordan disse data udvikler sig til at stemme overens med MOND," sagde McGaugh.
Alligevel, for de fleste astronomer, der tror på mørkt stof, indebar den langsommere rotationshastighed bare, at Dragonfly 44's glorie er mindre, end de troede. I 2020 reducerede en uafhængig gruppe glorien yderligere ved at tælle dramatisk færre kuglehobe, men van Dokkum bestrider dette resultat. Selvom haloens størrelse forbliver usikker, kan den være mindre massiv end først antaget, hvilket tyder på, at Dragonfly 44 trods alt ikke er en mislykket Mælkevej.
Store gamle galakse
En nyopdaget mærkværdighed har forstærket mysteriet.
In et papir offentliggjort i august, fandt van Dokkums gruppe Dragonfly 44 for at være ekstremt gammel, da den blev dannet for mellem 10 milliarder og 13 milliarder år siden.
Men sådan en gammel galakse burde ikke være så stor, som Dragonfly 44 er. Tidlige universobjekter har en tendens til at være mere kompakte, fordi de blev dannet før universets hurtige ekspansion.
Desuden burde sådan en gammel, nedslidt galakse have været fuldstændig revet fra hinanden nu. At Dragonfly 44 har holdt sammen, antyder, at det trods alt har en heftig mørkt stof-glorie - potentielt genoprette den "mislykkede Mælkevejs"-hypotese. "Det er en rigtig sjov forklaring, så det er derfor, jeg kan lide det, men jeg ved ikke, om det er rigtigt," sagde van Dokkum.
En anden forklaring, "high spin"-hypotesen, hævder, at to små galakser smeltede sammen, mens de roterede i samme retning, således at den resulterende galakse, Dragonfly 44, fik begges vinkelmomentum. Dette fik den til at rotere hurtigere, pustede den ud og blæste dens stjernedannende materiale ud.
Blændende forskellige UDG'er
Midt i undersøgelsen af Dragonfly 44 har astronomer også katalogiseret en stor og forskelligartet samling af andre ultra-diffuse galakser. Resultaterne tvinger dem til at konkludere, at galakser dannes på flere måder, end de vidste.
Nogle nyfundne UDG'er ser ud til at mangle mørkt stof helt. Van Dokkums gruppe identificeret en sådan galakse i 2018, så et spor af andre i nærheden. I maj er holdet formodede in Natur at sporet er dannet i en for længe siden kollision af to galakser. Kollisionen bremsede strømmen af galaksernes gas, men deres mørke stof fortsatte, som om intet var hændt. Gassen blev derefter komprimeret til klumper af stjerner og dannede til sidst en række galakser uden mørkt stof.
I mellemtiden, Bennet opdagede to UDG'er i 2018, der peger på en anden dannelsesteori. I hvert tilfælde synes tidevandskræfter fra en tung nærliggende galakse at have revet gennem UDG'en, pustet den ud og stjålet dens gas. (Dette kan ikke forklare Dragonfly 44, som sidder for langt fra tunge galakser.)
gådefuldt, et septemberblad rapporterede nylig stjernedannelse i en UDG, der modsiger ideen om, at de kun huser gamle stjerner.
En sådan række UDG'er, der ser ens ud udadtil, men som adskiller sig internt, kan validere teorien om mørkt stof i forhold til MOND. "Hvis stjernerne bevæger sig meget hurtigt i den ene galakse og meget langsomt i den anden, er det et stort problem for disse alternative teorier," sagde van Dokkum.
McGaugh var enig i, at hvis der er "ægte outliers" blandt UDG-befolkningen, "er det virkelig et problem for MOND." Men, tilføjede han, "det gør ikke automatisk mørkt stof til en bedre fortolkning."
Endelige svar vil kræve nye teleskoper. Det nyligt operative James Webb-rumteleskop har allerede set fjerne galakser, som de dukkede op, da de blev dannet i det tidlige univers, hvilket vil hjælpe med at teste og forfine de begyndende ideer.
"Den store takeaway er, at vi stadig ikke ved, hvad der er derude," sagde van Dokkum. "Der er galakser, som vi ikke har opdaget, som er meget store, meget tæt på og har usædvanlige egenskaber, og de er ikke i vores nuværende kataloger, selv efter alle disse årtier med at studere himlen."
