Ahogyan a tó hullámai azt jelzik, hogy valaki köveket dobott, vízmérőt futtatott vagy egy béka ugrott, a titokzatos anyag - sötét anyag - létezését az űrre gyakorolt hatalmas hatása határozza meg. A csillagászok nem tudják közvetlenül megfigyelni, de a sötét anyag gravitációja határozza meg a galaxisok születését, alakját és mozgását. Ez teljesen váratlanná teszi a tavalyi felfedezést: egy furcsa, diffúz galaxisban egyáltalán nem találtak sötét anyagot. Gondolod, hogy ennyi? Nem számít, mennyire van.
Galaxisok sötét anyag nélkül
Több tudós üdvözölte ezt a felfedezést. Mások kétségeiket a galaxis távolságának és mozgásának mérésével bírálták. A tét magas: ha valóban hiányzik a sötét anyag ebben a galaxisban, akkor paradox módon megerősíti ennek az anyagnak a létezését.
Így az eredeti csapat további bizonyítékokat szerez be az eredeti felfedezés alátámasztására. Ezenkívül felfedezték egy második galaxist is, hasonló tünetekkel. Ha korábban volt egy sötét anyagtól mentes ultraradiffuzus galaxis (első pillantásra), most kettő van.
„Az egyik tárgyat mindig egyszarvúként lehet leírni, de amint talál egyszarvúkat, elkezdenek elgondolkozni az egyszarvúak esetleges létezése” - mondja Michael Boylan-Kolchin, az austini texasi egyetem csillagásza, aki nem vett részt a tanulmányban. "És akkor elkezdesz gondolkodni arról, hogy honnan jöttek, mi a tulajdonságuk és mennyire általánosak."
Egyszarvúak keresése
Promóciós videó:
A számunkra érdeklődő két galaxis nagyon halvány és távol van a Földtől: csillagfürtükből származó fotonok a dinoszauruszok uralkodásának utolsó napjaiban, körülbelül 65 millió évvel ezelőtt kezdtek el bolygónk felé utazni. Az első NGC 1052-DF2 galaxis a Tejút méretű, de százszor kevesebb csillagot tartalmaz. Az új NGC 1052-DF4 galaxis az ég ugyanazon régiójában található, és nagysága és tömege nagyjából megegyezik.
Tavaly márciusban, a Shani Danieli és Peter van Dokkum vezetésével a Yale Egyetemen egy olyan tanulmányt publikáltak, amely becsülte az NGC 1052-DF2 méretét csillagfényének, valamint az azt körülvevő csillagfürtök mozgásának megfigyelésével. Ha az NGC 1052-DF2 annyi sötét anyagot tartalmazna, mint amit az csillagászok általában elvárnak, akkor a sötét anyag megnöveli ezen csillag jelenségek keringési sebességét. De lassan mozognak, ami azt sugallja, hogy nincs sötét anyag. A kritikusok azt állítják, hogy ezeknek a csillagcsoportoknak a sebességét tévesen számították - és még ha helyesek is voltak, a tíz csillagfürtből álló minta mérete túl szerény ahhoz, hogy megbízhatóan meg lehessen határozni az NGC 1052-DF2 sötét anyagkészletét.
Októberben Danieli úgy döntött, hogy ezt a kérdést más technikával kezeli. Elvette a Keck Cosmic Web Imager készüléket, egy új műszert, amelyet nemrég telepítettek a hawaii Keck-távcső óriási 10 méteres főtükörének mögött. Ez a műszer rendkívül nagy felbontású képességet képes mérni a nagyon halvány tárgyakból származó fényt, ideálissá téve olyan ultrafrekvenciás galaxisok, mint az NGC 1052-DF2. Ez az eszköz annyira jó volt, hogy Danieli-nek már nem kellett a csillagfürt mozgásait tanulmányoznia a galaxis tömegének meghatározása céljából. Ehelyett közvetlenül tömeget szerezhet, közvetlenül a galaxis csillagfényének felhasználásával.
Az információk szempontjából a csillagfény nagyon sokat tartalmaz. A fénynek az alkotó színekre történő elkülönítésével (ezt spektroszkópiának nevezik) a tudósok meg tudják határozni egy csillag összetételét, korát, térbeli irányát és sebességét. Ezen információk nagy részét spektrális vonalak formájában továbbítják - egy csillag spektrumába ágyazott lineáris elemek, különféle kémiai elemek kibocsátása vagy abszorpciója miatt. Keck műszere körülbelül 10 millió csillag spektrumát mérte a DF2 galaxisban. A galaxis leggyorsabb és leglassabb csillagai közötti terjedés nagysága képet ad arról, hogy az anyag milyen mértékben kölcsönhatásba lép velük. Minél több anyag - sötét vagy valamilyen más - annál nagyobb a csillagsebesség terjedése.
"Saját meglepetésünkre, rendkívül szűk spektrális vonalakat mértünk, amelyek nagyon kevés helyet hagynak a tömeg kivételével, kivéve a csillagok által a galaxisba behozott tömeget" - mondja Danieli. A sötét anyagnak egyszerűen nincs helye.
Eközben Erik Emselem, az Európai Déli Megfigyelőközpont és kollégái a chilei Atacama-sivatagban található Nagyon nagy távcsővel feltárják a galaxist. Felfedezték az alacsony sebességű diszperziót is, amely támogatja a hiányzó sötét anyag forgatókönyvet.
Nicholas Martin, a franciaországi Strasbourg-i Egyetem csillagásza volt az eredeti cikk egyik kritikusa. A múlt évben megjelent nyomonkövetési cikkben azt állította, hogy túl nehéz megbecsülni a DF2 galaxis tömegét a környező csillagfürt mozgása alapján. De Martin szerint Danieli és Emsell legfrissebb eredményei megnyugtatják őt.
„Ez az új műszereknek köszönhetően vált lehetővé, amelyek a bolygó legnagyobb távcsövein érkeztek meg. És őszintén szólva, egy évvel ezelőtt számomra nem volt nyilvánvaló, hogy ez megvalósítható lesz. Egy évvel ezelőtt nem voltam hajlandó kijelenteni, hogy ez a rendszer egyértelműen furcsa lesz, mert számomra úgy tűnt, hogy a méréseket nem támasztják alá teljesen az adatok. De most, amikor két különböző csapat mérte meg a csillagok sebességtartományát, azt hiszem, nyilvánvalóvá vált, hogy furcsa.
Danieli eredményeit a sötét anyaggal foglalkozó konferencián mutatták be a Princetoni Egyetemen, majd közzéteszik az Astrophysical Journal Letters-ben.
Összességében kutatása azt sugallja, hogy ilyen sötét anyag-szegény galaxisoknak egész osztálya létezik.
A hiányzó anyag keresése
Néhány csillagász az agyát ragaszkodik ahhoz, hogy az ilyen galaxisok hogyan alakulhassanak ki, és hová menjenek a sötét anyag. Boylan-Kolchin szerint az egyik lehetőség a szomszédos, sokkal nagyobb galaxis gravitációs vonzása, elválasztva a sötét anyagtól. Vagy a DF2 és a DF4 egyáltalán nem galaxisok, hanem galaxisként álcázott csillagok szerény gyűjteményei; ebben az esetben ezek az izolált csillagcsoportok máshol eljutó gázsugarak ütközésével képződhetnek. Vagy lehet még unalmasabb forgatókönyvek, például a galaxisok Földhez viszonyított tájolása, amely hátrányosan befolyásolja mozgásuk pontos spektrális mérését.
Az egy biztos: ha nem merül fel súlyos kétség, akkor a sötét anyag hiánya a galaxisokban meggyőzően azt mutatja, hogy ez az anyag elválasztható a csillagoktól, a gáztól, a portól és más rendes anyagtól. És ez viszont megerősíti a sötét anyag létezésének érvelését.
A mai évtizedekig tartó intenzív kutatások ellenére eddig senki sem fedezte fel határozottan a sötét anyagot. A bizonyítékok hiánya arra hívta fel az asztrofizikusokat, hogy alternatív módszereket keressenek a galaxisok ábrázolására és mozgásuk irányítására olyan hipotézisek megjelenésével, mint például a "kialakuló gravitáció" és a "módosított Newtoni dinamika". E hipotézisek támogatói azt állítják, hogy a legtöbb csillagász úgy gondolja, hogy a sötét anyag olyan jelenség lehet, amely a fizikából fakad, és amelyet mi nem értünk teljesen. De ebben az esetben ezek a furcsa galaxisok annak a ténynek a támogatását fogják beszélni, hogy az alternatívák tévesek és valóban a sötét anyag okozhatja.
Ilya Khel