Beskrivning
Under 2016 ledde astronomer av Pieter van Dokkum från Yale University publicerad ett bombpapper hävdar upptäckten av en galax så mörk, men ändå så bred och tung, att den måste vara nästan helt osynlig. De uppskattade att galaxen, kallad Dragonfly 44, består av 99.99 % mörk materia.
En het debatt uppstod om Dragonfly 44:s egenskaper som förblir olösta. Samtidigt har mer än 1,000 XNUMX lika stora men svaga galaxer dykt upp.
Dragonfly 44 och dess liknande är kända som ultradiffusa galaxer (UDG). Även om de kan vara lika stora som de största vanliga galaxerna, är UDG:er exceptionellt svaga - så mörka att det i teleskopundersökningar av himlen "är en uppgift att filtrera bort bruset utan att av misstag filtrera bort dessa galaxer", säger Paul Bennet, en astronom vid Space Telescope Science Institute i Baltimore. Den ljusa stjärnbildande gasen som finns i överflöd i andra galaxer verkar ha försvunnit i UDG, vilket bara lämnar ett skelett av äldre stjärnor.
Deras existens har orsakat uppståndelse i den galaktiska evolutionsteorin, som misslyckades med att förutsäga dem. "De dök inte upp i simuleringar," sa van Dokkum. "Du måste göra något speciellt för att göra en galax så stor och svag."
Vilda nya teorier har dykt upp för att förklara hur Dragonfly 44 och andra UDG kom till. Och dessa gigantiska fläckar av ljus kan ge nya bevis på mörk materias osynliga hand.
För mycket mörk materia
När gravitationen för samman klumpar av gas och stjärnor, får deras kombinerade energier och momentum att mashupen blåser upp och roterar. Så småningom uppstår en galax.
Det finns bara ett problem. När galaxer roterar bör de lossna. De verkar inte ha tillräckligt med massa - och därmed gravitationen - för att hålla ihop. Begreppet mörk materia uppfanns för att tillhandahålla den saknade gravitationen. På den här bilden sitter en galax inuti ett större konglomerat av icke-ljusande partiklar. Denna mörka materia "halo" håller ihop den snurrande galaxen.
Ett sätt att uppskatta en galaxs rotationshastighet, och därmed dess innehåll av mörk materia, är att räkna dess sfäriska stjärnhopar. "Vi vet inte varför, ur en teoretisk synvinkel," sa Bennet, men antalet av dessa "globulära kluster" korrelerar nära med dessa svårare att mäta egenskaper. I 2016 års tidning räknade van Dokkum 94 klotformiga hopar inuti Dragonfly 44 - ett antal som antydde en utomordentligt stor mörk materia halo, trots hur lite synlig materia galaxen har.
Ingen hade någonsin sett något liknande. Van Dokkum och medförfattare föreslog att Dragonfly 44 kunde vara en "misslyckad Vintergatan": en galax med en mörk materiahalo i Vintergatans storlek som tidigt genomgick en mystisk händelse som rånade den på sin stjärnbildande gas och lämnade den med inget annat än åldrande stjärnor och en gigantisk gloria.
Eller ingen mörk materia
Objektet väckte intresse från ett annat läger av astronomer som hävdar att mörk materia inte existerar alls. Dessa forskare förklarar galaxernas saknade gravitation genom att justera Newtons gravitationslag istället, ett tillvägagångssätt som kallas modifierad Newtonsk dynamik eller MOND.
Enligt MOND beräknas den modifierade gravitationskraften för varje galax utifrån förhållandet mellan massa och ljus för dess stjärnor - deras totala massa dividerat med deras ljusstyrka. MOND-teoretiker spekulerar inte i varför kraften skulle bero på detta förhållande, men deras ad hoc-formel matchar de observerade hastigheterna för de flesta galaxer, utan att behöva anropa mörk materia.
När nyheten kom om Dragonfly 44, förespråkade MOND Stacy McGaugh, en astronom vid Case Western Reserve University, beräknade utifrån dess massa-till-ljus-förhållande att den borde rotera långsammare än vad van Dokkums initiala uppskattning angav. MOND-beräkningen verkade inte passa data.
Beskrivning
Men 2019 nedgraderade van Dokkums grupp Dragonfly 44:s rotationshastighet använda förbättrade data. MOND fick rätt. "Dragonfly 44 är ett exempel på hur dessa data utvecklas för att överensstämma med MOND," sa McGaugh.
Ändå, för majoriteten av astronomer, som tror på mörk materia, antydde den lägre rotationshastigheten bara att Dragonfly 44:s halo är mindre än de trodde. 2020 minskade en oberoende grupp glorian ytterligare genom att räkna dramatiskt färre klothopar, men van Dokkum bestrider detta resultat. Även om halons storlek förblir osäker, kan den vara mindre massiv än vad man först trodde, vilket tyder på att Dragonfly 44 trots allt inte är en misslyckad Vintergatan.
Big Old Galaxy
En nyupptäckt märklighet har förvärrat mysteriet.
In ett papper publicerad i augusti fann van Dokkums grupp Dragonfly 44 som extremt uråldrig, efter att ha bildats för mellan 10 miljarder och 13 miljarder år sedan.
Men en så gammal galax borde inte vara så stor som Dragonfly 44 är. Objekt från tidiga universum tenderar att vara mer kompakta eftersom de bildades före universums snabba expansion.
Dessutom borde en så gammal, nedsliten galax ha blivit helt sönderriven vid det här laget. Att Dragonfly 44 har hållit ihop antyder att den trots allt har en rejäl mörk materia-gloria - vilket potentiellt återställer den "misslyckade Vintergatan"-hypotesen. "Det är en riktigt rolig förklaring, så det är därför jag gillar det, men jag vet inte om det är rätt," sa van Dokkum.
En annan förklaring, hypotesen om "högspinn", antyder att två små galaxer slogs samman medan de roterade i samma riktning, så att den resulterande galaxen, Dragonfly 44, fick vinkelmomentet för båda. Detta fick den att rotera snabbare, puffade ut den och blåste ut sitt stjärnbildande material.
Bländande olika UDGs
Mitt i granskningen av Dragonfly 44 har astronomer också katalogiserat en stor och mångsidig samling andra ultradiffusa galaxer. Fynden tvingar dem att dra slutsatsen att galaxer bildas på fler sätt än de visste.
Vissa nyfunna UDG:er verkar sakna mörk materia helt. Van Dokkums grupp identifierade en sådan galax 2018, såg sedan ett spår av andra i närheten. I maj, laget conjectured in Natur att spåret bildades i en sedan länge sedan kollision av två galaxer. Kollisionen saktade ner flödet av galaxernas gas, men deras mörka materia fortsatte som om ingenting hade hänt. Gasen komprimerades sedan till klumpar av stjärnor och bildade så småningom en sträng av galaxer utan mörk materia.
Under tiden, Bennet upptäckte två UDG 2018 som pekar på en annan formationsteori. I båda fallen verkar tidvattenkrafter från en tung närliggande galax ha slitit genom UDG, blåst ut den och stjäl dess gas. (Detta kan inte förklara Dragonfly 44, som sitter för långt från tunga galaxer.)
Förbryllande, en septembertidning rapporterade nyligen stjärnbildning i en UDG, vilket motsäger tanken att de bara hyser gamla stjärnor.
En sådan rad UDG:er som ser likadana ut men skiljer sig internt kan validera teorin om mörk materia över MOND. "Om stjärnorna rör sig väldigt snabbt i en galax och mycket långsamt i den andra, är det ett stort problem för dessa alternativa teorier," sa van Dokkum.
McGaugh höll med om att om det finns "äkta extremvärden" bland UDG-befolkningen, "är det verkligen ett problem för MOND." Men, tillade han, "det gör inte automatiskt mörk materia till en bättre tolkning."
Definitiva svaren kommer att kräva nya teleskop. Det nyligen operativa rymdteleskopet James Webb har redan upptäckt avlägsna galaxer som de dök upp när de bildades i det tidiga universum, vilket kommer att hjälpa till att testa och förfina de begynnande idéerna.
"Den stora takeaway är att vi fortfarande inte vet vad som finns där ute," sade van Dokkum. "Det finns galaxer som vi inte har upptäckt som är mycket stora, mycket nära och har ovanliga egenskaper, och de finns inte i våra nuvarande kataloger även efter alla dessa decennier av att studera himlen."
