Einleitung
Im Jahr 2016 führten Astronomen durch Pieter van Dokkum der Yale University veröffentlicht ein Bombenpapier Er behauptete, eine Galaxie entdeckt zu haben, die so dunkel und doch so breit und schwer ist, dass sie fast vollständig unsichtbar sein muss. Sie schätzten, dass die Galaxie mit dem Namen Dragonfly 44 zu 99.99 % aus dunkler Materie besteht.
Es folgte eine hitzige Debatte über die Eigenschaften von Dragonfly 44, die ungelöst bleibt. Inzwischen sind mehr als 1,000 ähnlich große, aber schwache Galaxien aufgetaucht.
Dragonfly 44 und ihresgleichen sind als ultradiffuse Galaxien (UDGs) bekannt. Obwohl sie so groß wie die größten gewöhnlichen Galaxien sein können, sind UDGs außergewöhnlich schwach – so schwach, dass es bei Teleskopuntersuchungen des Himmels „eine Aufgabe ist, das Rauschen herauszufiltern, ohne diese Galaxien versehentlich herauszufiltern“, sagte Paul Bennet, an Astronom am Space Telescope Science Institute in Baltimore. Das helle Sternentstehungsgas, das in anderen Galaxien reichlich vorhanden ist, scheint in UDGs verschwunden zu sein und nur ein Skelett älterer Sterne zurückzulassen.
Ihre Existenz hat in der galaktischen Evolutionstheorie Aufsehen erregt, die sie nicht vorhersagen konnte. „Sie tauchten nicht in Simulationen auf“, sagte van Dokkum. „Man muss etwas Besonderes tun, um eine Galaxie so groß und blass zu machen.“
Wilde neue Theorien sind aufgetaucht, um zu erklären, wie Dragonfly 44 und andere UDGs entstanden sind. Und diese riesigen Lichtflecken könnten neue Beweise für die unsichtbare Hand der Dunklen Materie liefern.
Zu viel Dunkle Materie
Wenn die Schwerkraft Gasklumpen und Sterne zusammenbringt, bewirken ihre kombinierten Energien und Impulse, dass sich das Mashup aufbläst und dreht. Schließlich entsteht eine Galaxie.
Es gibt nur ein Problem. Wenn sich Galaxien drehen, sollten sie auseinanderfallen. Sie scheinen nicht genug Masse – und damit Schwerkraft – zu haben, um zusammenzuhalten. Das Konzept der Dunklen Materie wurde erfunden, um die fehlende Schwerkraft bereitzustellen. In diesem Bild sitzt eine Galaxie in einem größeren Konglomerat nicht leuchtender Teilchen. Dieser „Halo“ aus dunkler Materie hält die sich drehende Galaxie zusammen.
Eine Möglichkeit, die Rotationsgeschwindigkeit einer Galaxie und damit ihren Gehalt an dunkler Materie abzuschätzen, besteht darin, ihre kugelförmigen Sternhaufen zu zählen. "Wir wissen aus theoretischer Sicht nicht warum", sagte Bennet, aber die Anzahl dieser "Kugelhaufen" korreliert eng mit diesen schwieriger zu messenden Eigenschaften. In der Veröffentlichung von 2016 zählte van Dokkum 94 Kugelsternhaufen innerhalb von Dragonfly 44 – eine Zahl, die auf einen außergewöhnlich großen Halo aus dunkler Materie hindeutet, obwohl die Galaxie nur wenig sichtbare Materie hat.
Niemand hatte so etwas je gesehen. Van Dokkum und Co-Autoren schlugen vor, dass Dragonfly 44 eine „gescheiterte Milchstraße“ sein könnte: eine Galaxie mit einem milchstraßengroßen Halo aus dunkler Materie, die früh ein mysteriöses Ereignis durchmachte, das ihr ihr sternbildendes Gas raubte und es zurückließ nichts als alternde Sterne und ein riesiger Heiligenschein.
Oder keine dunkle Materie
Das Objekt erregte das Interesse eines anderen Lagers von Astronomen, die argumentieren, dass dunkle Materie überhaupt nicht existiert. Diese Forscher erklären die fehlende Gravitation von Galaxien, indem sie stattdessen Newtons Gravitationsgesetz anpassen, ein Ansatz, der als modifizierte Newtonsche Dynamik oder MOND bezeichnet wird.
Laut MOND wird die modifizierte Gravitationskraft für jede Galaxie aus dem Masse-zu-Licht-Verhältnis ihrer Sterne berechnet – ihrer Gesamtmasse dividiert durch ihre Leuchtkraft. MOND-Theoretiker spekulieren nicht darüber, warum die Kraft von diesem Verhältnis abhängen würde, aber ihre Ad-hoc-Formel passt zu den beobachteten Geschwindigkeiten der meisten Galaxien, ohne dass dunkle Materie herangezogen werden muss.
Als Neuigkeiten über Dragonfly 44 bekannt wurden, befürwortete MOND Stacy McGaugh, ein Astronom an der Case Western Reserve University, errechnete aus seinem Masse-zu-Licht-Verhältnis, dass er sich langsamer drehen sollte, als van Dokkums anfängliche Schätzung angab. Die MOND-Berechnung schien nicht zu den Daten zu passen.
Einleitung
Aber dann, im Jahr 2019, stufte van Dokkums Gruppe die Rotationsgeschwindigkeit von Dragonfly 44 herunter Verwendung verbesserter Daten. MOND wurde bestätigt. „Dragonfly 44 ist ein Beispiel dafür, wie sich diese Daten entwickeln, um mit MOND übereinzustimmen“, sagte McGaugh.
Für die Mehrheit der Astronomen, die an dunkle Materie glauben, impliziert die langsamere Rotationsgeschwindigkeit jedoch nur, dass der Halo von Dragonfly 44 kleiner ist, als sie dachten. Im Jahr 2020 hat eine unabhängige Gruppe den Heiligenschein durch Zählen weiter verkleinert dramatisch weniger Kugelsternhaufen, aber van Dokkum bestreitet dieses Ergebnis. Obwohl die Größe des Halos ungewiss bleibt, ist er möglicherweise weniger massiv als ursprünglich angenommen, was darauf hindeutet, dass Dragonfly 44 doch keine gescheiterte Milchstraße ist.
Große alte Galaxie
Eine neu entdeckte Kuriosität hat das Rätsel noch verstärkt.
In ein Papier Im August veröffentlicht, stellte die Gruppe von van Dokkum fest, dass Dragonfly 44 extrem alt ist, da sie sich vor 10 bis 13 Milliarden Jahren gebildet hat.
Aber eine so alte Galaxie sollte nicht so groß sein wie Dragonfly 44. Objekte aus dem frühen Universum sind tendenziell kompakter, weil sie sich vor der schnellen Expansion des Universums gebildet haben.
Außerdem sollte eine so alte, abgenutzte Galaxie inzwischen vollständig auseinandergerissen sein. Dass Dragonfly 44 zusammengehalten hat, impliziert, dass es doch einen kräftigen Halo aus dunkler Materie hat – was möglicherweise die Hypothese der „gescheiterten Milchstraße“ wiederherstellt. „Das ist eine wirklich lustige Erklärung, deshalb mag ich sie, aber ich weiß nicht, ob sie richtig ist“, sagte van Dokkum.
Eine andere Erklärung, die „High-Spin“-Hypothese, postuliert, dass zwei kleine Galaxien verschmolzen, während sie sich in die gleiche Richtung drehten, sodass die resultierende Galaxie, Dragonfly 44, den Drehimpuls von beiden erhielt. Dies führte dazu, dass es sich schneller drehte, es aufblähte und sein sternbildendes Material ausblies.
Umwerfend vielfältige UDGs
Inmitten der Untersuchung von Dragonfly 44 haben Astronomen auch eine riesige und vielfältige Sammlung anderer ultradiffuser Galaxien katalogisiert. Die Ergebnisse zwingen sie zu dem Schluss, dass sich Galaxien auf mehr Arten bilden, als sie wussten.
Einigen neu entdeckten UDGs scheint dunkle Materie völlig zu fehlen. Van Dokkums Gruppe eine solche Galaxie identifiziert im Jahr 2018, entdeckte dann eine Spur von anderen in der Nähe. In diesem Mai, das Team vermutet in Natur dass sich die Spur bei einer vor langer Zeit entstandenen Kollision zweier Galaxien gebildet hat. Die Kollision verlangsamte den Gasfluss der Galaxien, aber ihre dunkle Materie bewegte sich weiter, als wäre nichts passiert. Das Gas verdichtete sich dann zu Sternklumpen und bildete schließlich eine Reihe von Galaxien ohne dunkle Materie.
In der Zwischenzeit, Bennet entdeckte zwei UDGs im Jahr 2018, die auf eine andere Formationstheorie hindeuten. In jedem Fall scheinen Gezeitenkräfte aus einer nahegelegenen schweren Galaxie durch die UDG gerissen zu sein, sie aufzublähen und ihr Gas zu stehlen. (Dies kann Dragonfly 44 nicht erklären, das zu weit von schweren Galaxien entfernt ist.)
Rätselhaft, eine Septemberzeitung berichteten über die jüngste Sternentstehung in einem UDG und widersprachen damit der Vorstellung, dass sie nur alte Sterne beherbergen.
Eine solche Reihe von UDGs, die äußerlich gleich aussehen, sich aber intern unterscheiden, könnte die Theorie der Dunklen Materie gegenüber MOND bestätigen. „Wenn sich die Sterne in einer Galaxie sehr schnell und in der anderen sehr langsam bewegen, ist das ein großes Problem für diese alternativen Theorien“, sagte van Dokkum.
McGaugh stimmte zu, dass, wenn es „echte Ausreißer“ unter der UDG-Bevölkerung gibt, „das in der Tat ein Problem für MOND ist“. Er fügte jedoch hinzu: „Das macht dunkle Materie nicht automatisch zu einer besseren Interpretation.“
Endgültige Antworten erfordern neue Teleskope. Das neu in Betrieb genommene James-Webb-Weltraumteleskop hat bereits entfernte Galaxien ausgemacht, als sie im frühen Universum entstanden, was dazu beitragen wird, die aufkeimenden Ideen zu testen und zu verfeinern.
„Das Wichtigste ist, dass wir immer noch nicht wissen, was da draußen ist“, sagte van Dokkum. „Es gibt Galaxien, die wir noch nicht entdeckt haben, die sehr groß sind, sehr nahe beieinander liegen und ungewöhnliche Eigenschaften haben, und sie sind selbst nach all den Jahrzehnten des Studiums des Himmels nicht in unseren aktuellen Katalogen.“
