Wprowadzenie
W 2016 roku astronomowie kierowani przez Pietera van Dokkuma opublikowano na Uniwersytecie Yale papier bombowy twierdząc, że odkryto galaktykę tak ciemną, a jednocześnie tak szeroką i ciężką, że musi być prawie całkowicie niewidoczna. Oszacowali, że galaktyka nazwana Dragonfly 44 składa się w 99.99% z ciemnej materii.
Wywiązała się gorąca debata na temat właściwości Dragonfly 44, które pozostają nierozwiązane. Tymczasem pojawiło się ponad 1,000 podobnie dużych, ale słabych galaktyk.
Dragonfly 44 i jej podobni są znane jako ultrarozproszone galaktyki (UDG). Chociaż mogą być tak duże, jak największe zwykłe galaktyki, UDG są wyjątkowo słabe – tak słabe, że podczas przeglądów nieba przez teleskop „jest zadaniem odfiltrować szum bez przypadkowego odfiltrowania tych galaktyk” – powiedział Paul Bennet, astronom w Instytucie Naukowym Kosmicznego Teleskopu w Baltimore. Wydaje się, że jasny gaz tworzący gwiazdy, który jest obfity w innych galaktykach, zniknął w UDG, pozostawiając jedynie szkielet starszych gwiazd.
Ich istnienie wywołało poruszenie w galaktycznej teorii ewolucji, która ich nie przewidziała. „Nie pojawiły się w symulacjach” – powiedział van Dokkum. „Musisz zrobić coś wyjątkowego, aby galaktyka była tak duża i słaba”.
Pojawiły się nowe, szalone teorie wyjaśniające, w jaki sposób powstała Dragonfly 44 i inne UDG. A te gigantyczne smugi światła mogą dostarczać nowych dowodów na istnienie niewidzialnej ręki ciemnej materii.
Za dużo ciemnej materii
Gdy grawitacja łączy skupiska gazu i gwiazd, ich połączone energie i pędy powodują, że mieszanka nadmuchuje się i obraca. W końcu wyłania się galaktyka.
Jest tylko jeden problem. Gdy galaktyki się obracają, powinny się rozpaść. Wygląda na to, że nie mają wystarczającej masy – a tym samym grawitacji – by się ze sobą skleić. Koncepcja ciemnej materii została wynaleziona, aby zapewnić brakującą grawitację. Na tym zdjęciu galaktyka znajduje się wewnątrz większego skupiska nieświecących cząstek. To „halo” ciemnej materii utrzymuje razem wirującą galaktykę.
Jednym ze sposobów oszacowania prędkości rotacji galaktyki, a tym samym zawartości ciemnej materii, jest policzenie jej kulistych gromad gwiazd. „Nie wiemy dlaczego, z teoretycznego punktu widzenia”, powiedział Bennet, ale liczba tych „gromad kulistych” ściśle koreluje z tymi trudniejszymi do zmierzenia właściwościami. W artykule z 2016 roku van Dokkum naliczył 94 gromady kuliste wewnątrz Dragonfly 44 – liczba, która sugerowała niezwykle duże halo ciemnej materii, pomimo tego, jak mało widocznej materii ma ta galaktyka.
Nikt nigdy czegoś takiego nie widział. Van Dokkum i współautorzy zasugerowali, że Dragonfly 44 może być „nieudaną Drogą Mleczną”: galaktyką z halo ciemnej materii wielkości Drogi Mlecznej, która wcześnie przeszła tajemnicze zdarzenie, które pozbawiło ją gazu gwiazdotwórczego, pozostawiając ją z nic poza starzejącymi się gwiazdami i gigantyczną aureolą.
Lub bez ciemnej materii
Obiektem zainteresował się inny obóz astronomów, którzy twierdzą, że ciemna materia w ogóle nie istnieje. Badacze ci wyjaśniają brak grawitacji galaktyk, dostosowując prawo grawitacji Newtona, podejście zwane zmodyfikowaną dynamiką Newtona lub MOND.
Według MOND zmodyfikowana siła grawitacyjna dla każdej galaktyki jest obliczana na podstawie stosunku masy do światła jej gwiazd — ich całkowitej masy podzielonej przez ich jasność. Teoretycy MOND nie spekulują, dlaczego siła miałaby zależeć od tego stosunku, ale ich formuła ad hoc odpowiada obserwowanym prędkościom większości galaktyk, bez konieczności powoływania się na ciemną materię.
Kiedy pojawiły się informacje o Dragonfly 44, adwokat MOND Stacy McGaugh, astronom z Case Western Reserve University, obliczył na podstawie stosunku masy do światła, że powinien obracać się wolniej, niż wskazywały początkowe szacunki van Dokkuma. Obliczenia MOND wydawały się nie pasować do danych.
Wprowadzenie
Ale potem w 2019 roku grupa van Dokkuma obniżyła prędkość obrotową Dragonfly 44 przy użyciu ulepszonych danych. MOND został usprawiedliwiony. „Dragonfly 44 jest przykładem tego, jak te dane ewoluują zgodnie z MOND” – powiedział McGaugh.
Jednak dla większości astronomów, którzy wierzą w ciemną materię, mniejsza prędkość obrotowa sugerowała, że halo Dragonfly 44 jest mniejsze niż sądzili. W 2020 r. niezależna grupa jeszcze bardziej zmniejszyła aureolę, licząc znacznie mniej gromad kulistych, ale van Dokkum kwestionuje ten wynik. Chociaż rozmiar aureoli pozostaje niepewny, może być mniej masywny, niż początkowo przypuszczano, co sugeruje, że Dragonfly 44 nie jest w końcu nieudaną Drogą Mleczną.
Wielka Stara Galaktyka
Nowo odkryta osobliwość pogłębiła tajemnicę.
In papier opublikowana w sierpniu grupa van Dokkuma stwierdziła, że Dragonfly 44 jest niezwykle starożytna, powstała między 10 a 13 miliardami lat temu.
Ale tak stara galaktyka nie powinna być tak duża jak Dragonfly 44. Obiekty we wczesnym wszechświecie wydają się być bardziej zwarte, ponieważ powstały przed szybką ekspansją wszechświata.
Co więcej, taka stara, wytarta galaktyka powinna już zostać całkowicie rozerwana. To, że Dragonfly 44 trzyma się razem, sugeruje, że ma w końcu potężne halo ciemnej materii – potencjalnie przywracając hipotezę „nieudanej Drogi Mlecznej”. „To naprawdę zabawne wyjaśnienie, dlatego mi się podoba, ale nie wiem, czy to prawda”, powiedział van Dokkum.
Inne wyjaśnienie, hipoteza „wysokiego spinu”, zakłada, że dwie małe galaktyki połączyły się, obracając się w tym samym kierunku, tak że powstała galaktyka, Ważka 44, uzyskała moment pędu obu. To spowodowało, że obracał się szybciej, wydmuchując go i wydmuchując materiał tworzący gwiazdy.
Olśniewająco zróżnicowane UDG
W ramach analizy Dragonfly 44 astronomowie skatalogowali również ogromną i różnorodną kolekcję innych galaktyk o ultrarozproszonym klimacie. Odkrycia zmuszają ich do wniosku, że galaktyki powstają na więcej sposobów, niż sądzili.
Niektóre nowo odkryte UDG wydają się całkowicie pozbawione ciemnej materii. Grupa Van Dokkuma zidentyfikował jedną taką galaktykę w 2018 r., a następnie zauważył ślad innych w pobliżu. W maju zespół domysł in Natura że ślad powstał w dawnym zderzeniu dwóch galaktyk. Zderzenie spowolniło przepływ gazu galaktyk, ale ich ciemna materia płynęła dalej, jakby nic się nie stało. Gaz następnie skompresował się w grudki gwiazd, ostatecznie tworząc ciąg galaktyk pozbawionych ciemnej materii.
Tymczasem Bennet odkrył dwa UDG w 2018 roku, które wskazują na inną teorię formacji. W każdym przypadku wydaje się, że siły pływowe z ciężkiej pobliskiej galaktyki rozdarły UDG, wydmuchując go i kradnąc jego gaz. (To nie może wyjaśnić Dragonfly 44, która znajduje się zbyt daleko od ciężkich galaktyk.)
Zaskakująco, gazeta z września donosił o niedawnym formowaniu się gwiazd w UDG, zaprzeczając idei, że zawierają one tylko stare gwiazdy.
Taki zakres UDG, które zewnętrznie wyglądają tak samo, ale różnią się wewnętrznie, może potwierdzać teorię ciemnej materii w porównaniu z MOND. „Jeśli gwiazdy poruszają się bardzo szybko w jednej galaktyce, a bardzo wolno w drugiej, jest to duży problem dla tych alternatywnych teorii” – powiedział van Dokkum.
McGaugh zgodził się, że jeśli wśród populacji UDG istnieją „prawdziwe wartości odstające”, „jest to rzeczywiście problem dla MOND”. Dodał jednak, że „to nie oznacza automatycznie lepszej interpretacji ciemnej materii”.
Ostateczne odpowiedzi będą wymagały nowych teleskopów. Nowo działający Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba już zauważył odległe galaktyki, tak jak się pojawiały, gdy formowały się we wczesnym Wszechświecie, co pomoże przetestować i udoskonalić rodzące się idee.
„Najważniejsze jest to, że wciąż nie wiemy, co tam jest”, powiedział van Dokkum. „Są galaktyki, których nie odkryliśmy, a które są bardzo duże, bardzo blisko siebie i mają niezwykłe właściwości, i nie ma ich w naszych aktualnych katalogach, nawet po tylu dziesięcioleciach badania nieba”.
