Introduksjon
I 2016 ledet astronomer av Pieter van Dokkum fra Yale University publisert et bombepapir hevder oppdagelsen av en galakse så svak, men likevel så bred og tung, at den må være nesten helt usynlig. De estimerte at galaksen, kalt Dragonfly 44, består av 99.99 % mørk materie.
En heftig debatt fulgte om Dragonfly 44s egenskaper som forblir uløst. I mellomtiden har mer enn 1,000 like store, men svake galakser dukket opp.
Dragonfly 44 og dens lignende er kjent som ultradiffuse galakser (UDG). Selv om de kan være like store som de største vanlige galaksene, er UDG-ene usedvanlig svake - så svake at i teleskopundersøkelser av himmelen, "er det en oppgave å filtrere ut støyen uten ved et uhell å filtrere ut disse galaksene," sa Paul Bennet, en astronom ved Space Telescope Science Institute i Baltimore. Den klare stjernedannende gassen som er rikelig i andre galakser ser ut til å ha forsvunnet i UDG-er, og etterlot bare et skjelett av eldre stjerner.
Deres eksistens har skapt oppsikt i galaktisk evolusjonsteori, som ikke klarte å forutsi dem. "De dukket ikke opp i simuleringer," sa van Dokkum. "Du må gjøre noe spesielt for å gjøre en galakse så stor og svak."
Ville nye teorier har dukket opp for å forklare hvordan Dragonfly 44 og andre UDG-er ble til. Og disse gigantiske lysflekkene kan gi nye bevis på mørk materies usynlige hånd.
For mye mørk materie
Ettersom tyngdekraften bringer klumper av gass og stjerner sammen, får deres kombinerte energier og momentum at blandingen blåses opp og roterer. Til slutt dukker det opp en galakse.
Det er bare ett problem. Når galaksene roterer, bør de gå fra hverandre. De ser ikke ut til å ha nok masse - og dermed tyngdekraften - til å holde sammen. Konseptet med mørk materie ble oppfunnet for å gi den manglende tyngdekraften. På dette bildet sitter en galakse inne i et større konglomerasjon av ikke-lysende partikler. Denne "haloen" av mørk materie holder den spinnende galaksen sammen.
En måte å beregne rotasjonshastigheten til en galakse, og dermed innholdet av mørk materie, er ved å telle dens sfæriske stjerneklynger. "Vi vet ikke hvorfor, fra et teoretisk synspunkt," sa Bennet, men antallet av disse "globulære klynger" korrelerer tett med de egenskapene som er vanskeligere å måle. I 2016-avisen telte van Dokkum 94 kulehoper inne i Dragonfly 44 - et tall som antydet en ekstraordinær stor mørk materie-glorie, til tross for hvor lite synlig materie galaksen har.
Ingen hadde noen gang sett noe lignende. Van Dokkum og medforfattere foreslo at Dragonfly 44 kunne være en "mislykket Melkevei": en galakse med en mørk materie-halo på størrelse med Melkeveien som tidlig gjennomgikk en mystisk hendelse som frarøvet den sin stjernedannende gass, og etterlot den med ingenting annet enn aldrende stjerner og en gigantisk glorie.
Eller ingen mørk materie
Objektet tiltrakk seg interessen til en annen leir av astronomer som hevder at mørk materie ikke eksisterer i det hele tatt. Disse forskerne forklarer galaksenes manglende tyngdekraft ved å justere Newtons tyngdelov i stedet, en tilnærming som kalles modifisert Newtonsk dynamikk, eller MOND.
I følge MOND beregnes den modifiserte gravitasjonskraften for hver galakse ut fra masse-til-lys-forholdet til stjernene - deres totale masse delt på deres lysstyrke. MOND-teoretikere spekulerer ikke i hvorfor kraften vil avhenge av dette forholdet, men deres ad hoc-formel samsvarer med de observerte hastighetene til de fleste galakser, uten behov for å påkalle mørk materie.
Da nyhetene kom om Dragonfly 44, talte MOND Stacy McGaugh, en astronom ved Case Western Reserve University, beregnet ut fra masse-til-lys-forholdet at den skulle rotere saktere enn van Dokkums første estimat indikerte. MOND-beregningen så ikke ut til å passe til dataene.
Introduksjon
Men så i 2019 nedgraderte van Dokkums gruppe Dragonfly 44s rotasjonshastighet ved hjelp av forbedrede data. MOND ble bekreftet. "Dragonfly 44 er et eksempel på hvordan disse dataene utvikler seg for å stemme med MOND," sa McGaugh.
Likevel, for flertallet av astronomer, som tror på mørk materie, antydet den lavere rotasjonshastigheten bare at Dragonfly 44s glorie er mindre enn de trodde. I 2020 reduserte en uavhengig gruppe haloen ytterligere ved å telle dramatisk færre kulehoper, men van Dokkum bestrider dette resultatet. Selv om haloens størrelse forblir usikker, kan den være mindre massiv enn først antatt, noe som tyder på at Dragonfly 44 ikke er en mislykket Melkevei likevel.
Big Old Galaxy
En nyoppdaget merkelighet har forsterket mysteriet.
In et papir publisert i august fant van Dokkums gruppe at Dragonfly 44 var ekstremt eldgammel, og ble dannet for mellom 10 milliarder og 13 milliarder år siden.
Men en så gammel galakse burde ikke være så stor som Dragonfly 44 er. Tidlige universobjekter har en tendens til å være mer kompakte fordi de ble dannet før universets raske ekspansjon.
Dessuten burde en så gammel, sliten galakse vært fullstendig revet i stykker nå. At Dragonfly 44 har holdt sammen, antyder at den tross alt har en heftig mørk materie-glorie - potensielt gjenoppretter den "mislykkede Melkeveien"-hypotesen. "Det er en veldig morsom forklaring, så det er derfor jeg liker det, men jeg vet ikke om det er riktig," sa van Dokkum.
En annen forklaring, hypotesen om "høyt spinn", antyder at to små galakser slo seg sammen mens de roterte i samme retning, slik at den resulterende galaksen, Dragonfly 44, fikk vinkelmomentet til begge. Dette førte til at den roterte raskere, pustet den ut og blåste ut det stjernedannende materialet.
Blendende forskjellige UDG-er
Midt i granskingen av Dragonfly 44 har astronomer også katalogisert en enorm og mangfoldig samling av andre ultradiffuse galakser. Funnene tvinger dem til å konkludere med at galakser dannes på flere måter enn de visste.
Noen nyfunne UDG-er ser ut til å mangle mørk materie helt. Van Dokkums gruppe identifisert en slik galakse i 2018, og så et spor etter andre i nærheten. Denne mai, laget formodet in Natur at sporet ble dannet i en for lenge siden kollisjon av to galakser. Kollisjonen bremset strømmen av galaksenes gass, men deres mørke materie fortsatte som om ingenting hadde skjedd. Gassen ble deretter komprimert til klumper av stjerner, og dannet til slutt en streng av galakser uten mørk materie.
I mellomtiden, Bennet oppdaget to UDG-er i 2018 som peker på en annen formasjonsteori. I hvert tilfelle ser det ut til at tidevannskrefter fra en tung nærliggende galakse har revet gjennom UDG, pustet den ut og stjålet gassen. (Dette kan ikke forklare Dragonfly 44, som sitter for langt fra tunge galakser.)
Forvirrende, en septemberavis rapporterte nylig stjernedannelse i en UDG, som motsier ideen om at de bare har gamle stjerner.
En slik rekke UDG-er som ser like ut utad, men som er forskjellige internt, kan validere teorien om mørk materie over MOND. "Hvis stjernene beveger seg veldig raskt i en galakse, og veldig sakte i den andre, er det et stort problem for de alternative teoriene," sa van Dokkum.
McGaugh var enig i at hvis det er "ekte uteliggere" blant UDG-befolkningen, "er det virkelig et problem for MOND." Imidlertid la han til, "det gjør ikke automatisk mørk materie til en bedre tolkning."
Endelige svar vil kreve nye teleskoper. Det nylig operative romteleskopet James Webb har allerede oppdaget fjerne galakser slik de dukket opp da de ble dannet i det tidlige universet, noe som vil bidra til å teste og foredle de begynnende ideene.
"Den store takeaway er at vi fortsatt ikke vet hva som er der ute," sa van Dokkum. "Det er galakser som vi ikke har oppdaget som er veldig store, veldig nærme og har uvanlige egenskaper, og de er ikke i våre nåværende kataloger selv etter alle disse tiårene med å studere himmelen."
