Tak jak zmarszczki w stawie wskazują, że ktoś rzucił kamieniem, poprowadził wodomierz lub skoczył żabą, tak o istnieniu tajemniczej substancji - ciemnej materii - decyduje jej ogromny wpływ na przestrzeń. Astronomowie nie mogą go obserwować bezpośrednio, ale grawitacja ciemnej materii determinuje narodziny, kształt i ruch galaktyk. To sprawia, że zeszłoroczne odkrycie jest całkowicie nieoczekiwane: w dziwnej, rozproszonej galaktyce w ogóle nie znaleziono ciemnej materii. Myślisz, że to wszystko? Nie ważne jak to jest.
Galaktyki bez ciemnej materii
Kilku uczonych z zadowoleniem przyjęło to odkrycie. Inni wyrazili swoje wątpliwości, krytykując pomiar odległości i ruchu galaktyki. Stawka jest wysoka: jeśli rzeczywiście w tej galaktyce brakuje ciemnej materii, paradoksalnie potwierdzi to istnienie tej materii.
I tak pierwotny zespół uzyskał dodatkowe dowody na poparcie swojego pierwotnego odkrycia. Ponadto odkryto drugą galaktykę z podobnymi objawami. Tam, gdzie kiedyś istniała jedna ultradźwiękowa galaktyka wolna od ciemnej materii (na pierwszy rzut oka), teraz są dwie.
„Jeden obiekt zawsze można uznać za jednorożca, ale gdy tylko znajdziesz dwa jednorożce, zaczynasz się zastanawiać nad możliwym istnieniem jednorożców” - mówi Michael Boylan-Kolchin, astronom z University of Texas w Austin, który nie brał udziału w badaniu. „A potem zaczynasz myśleć o tym, skąd się wzięły, jakie są ich właściwości i jak powszechne”.
Znalezienie jednorożców
Film promocyjny:
Dwie interesujące nas galaktyki są bardzo słabe i daleko od Ziemi: fotony z ich gromad gwiazd zaczęły wędrować w kierunku naszej planety w ostatnich dniach panowania dinozaurów, około 65 milionów lat temu. Pierwsza galaktyka, NGC 1052-DF2, ma rozmiary Drogi Mlecznej, ale zawiera 100 razy mniej gwiazd. Nowa galaktyka NGC 1052-DF4 znajduje się w tym samym regionie nieba i ma mniej więcej taką samą wielkość i masę.
W marcu ubiegłego roku naukowcy pod kierunkiem Shani Danieli i Petera van Dokkuma z Uniwersytetu Yale opublikowali badanie, w którym oszacowano rozmiar NGC 1052-DF2, obserwując jej światło gwiazd, a także ruchy gromad gwiazd, które ją otaczają. Gdyby NGC 1052-DF2 zawierała tyle ciemnej materii, ile astronomowie na ogół od niej oczekują, ciemna materia zwiększyłaby prędkości orbitalne tych zjawisk gwiezdnych. Ale poruszają się wolno, co sugeruje, że nie ma ciemnej materii. Krytycy argumentują, że prędkości tych gromad gwiazd zostały błędnie obliczone - a nawet jeśli były prawidłowe, wielkość próbki zaledwie 10 gromad gwiazd była zbyt skromna, aby wiarygodnie określić zasoby ciemnej materii NGC 1052-DF2.
W październiku Danieli postanowił rozwiązać ten problem za pomocą innej techniki. Zabrała Keck Cosmic Web Imager, nowy instrument zainstalowany niedawno za gigantycznym 10-metrowym zwierciadłem głównym teleskopu Kecka na Hawajach. Instrument ten może mierzyć światło z bardzo słabych obiektów z niezwykle wysoką rozdzielczością, dzięki czemu idealnie nadaje się do badania ultradiffuse galaktyk, takich jak NGC 1052-DF2. To narzędzie było tak dobre, że Danieli nie musiał już badać ruchów gromady gwiazd, aby określić masę galaktyki. Zamiast tego mogła uzyskać masę bezpośrednio, używając światła gwiazd galaktyki.
Jeśli chodzi o informacje, starlight zawiera go bardzo dużo. Rozdzielając światło na jego składowe kolory (nazywa się to spektroskopią), naukowcy mogą określić skład gwiazdy, jej wiek, kierunek w przestrzeni i prędkość. Większość tych informacji jest przekazywana w postaci linii widmowych - elementów liniowych osadzonych w widmie gwiazdy w wyniku emisji lub absorpcji różnych pierwiastków chemicznych. Instrument Kecka zmierzył widmo około 10 milionów gwiazd w galaktyce DF2. Rozmiar rozrzutu między najszybszymi i najwolniejszymi gwiazdami w galaktyce daje wyobrażenie o tym, ile materii oddziałuje z nimi. Im więcej materii - ciemnej lub innego rodzaju - tym większy jest rozkład prędkości gwiazd.
„Ku naszemu zaskoczeniu zmierzyliśmy bardzo wąskie linie widmowe, które pozostawiają bardzo mało miejsca na większą masę niż masa, którą gwiazdy wnoszą do galaktyki” - mówi Danieli. Po prostu nie ma miejsca na ciemną materię.
W międzyczasie Erik Emsellem z Europejskiego Obserwatorium Południowego i jego współpracownicy badali galaktykę za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu na pustyni Atakama w Chile. Odkryli również dyspersję o niskiej prędkości, która potwierdza scenariusz braku ciemnej materii.
Nicholas Martin, astronom z Uniwersytetu w Strasburgu we Francji, był jednym z krytyków oryginalnego artykułu. W kolejnym artykule opublikowanym w zeszłym roku argumentował, że oszacowanie masy galaktyki DF2 na podstawie ruchów otaczającej gromady gwiazd jest zbyt trudne. Ale Martin mówi, że ostatnie wyniki od Danieli i Emsella zapewniły go.
„Stało się to możliwe dzięki nowym instrumentom, które dotarły do największych teleskopów na naszej planecie. I szczerze mówiąc, rok temu nie było dla mnie oczywiste, że będzie to wykonalne. Jeszcze rok temu nie byłem gotów powiedzieć, że ten system będzie wręcz koniecznie dziwny, ponieważ wydawało mi się, że pomiary nie są w pełni poparte danymi. Ale teraz, gdy są dwa różne zespoły, które zmierzyły zakres prędkości samych gwiazd, myślę, że stało się oczywiste, że istnieje coś dziwnego”.
Odkrycia Danieli zostały zaprezentowane na konferencji poświęconej ciemnej materii na Uniwersytecie Princeton i zostaną opublikowane w Astrophysical Journal Letters.
Ogólnie rzecz biorąc, jej badania sugerują, że istnieje cała klasa takich ubogich w ciemną materię galaktyk.
Poszukiwanie zaginionej sprawy
Niektórzy astronomowie zastanawiają się, jak mogą powstawać takie galaktyki i dokąd się przenosi ciemna materia. Boylan-Kolchin mówi, że jedną z możliwości jest przyciąganie grawitacyjne sąsiedniej, znacznie większej galaktyki, oddzielonej od ciemnej materii. Albo też DF2 i DF4 mogą wcale nie być galaktykami, ale skromnymi zbiorami gwiazd przebranymi za galaktyki; w tym przypadku te odizolowane grupy gwiazd mogą powstać ze zderzających się strumieni gazu uciekających gdzie indziej. Albo mogą istnieć jeszcze bardziej nudne scenariusze, na przykład orientacja galaktyk względem Ziemi, co niekorzystnie wpływa na uzyskanie dokładnych pomiarów widmowych ich ruchów.
Jedno jest pewne: jeśli nie pojawią się poważne wątpliwości, brak ciemnej materii w galaktykach w przekonujący sposób pokaże, że można ją oddzielić od gwiazd, gazu, pyłu i innych zwykłych materii. A to z kolei wzmocni argument na rzecz istnienia ciemnej materii.
Jak dotąd nikt na pewno nie odkrył ciemnej materii, pomimo dziesięcioleci intensywnych badań. Brak dowodów skłonił niektórych astrofizyków do poszukiwania alternatywnych sposobów rzeźbienia galaktyk i kontrolowania ich ruchu poprzez wyłanianie się hipotez, takich jak „wyłaniająca się grawitacja” i „zmodyfikowana dynamika Newtona”. Zwolennicy tych hipotez argumentują, że większość astronomów uważa, że ciemna materia może być zjawiskiem wynikającym z fizyki, którego nie w pełni rozumiemy. Ale w tym przypadku te dziwne galaktyki będą przemawiać na korzyść faktu, że alternatywy są złe i że ciemna materia może być rzeczywiście przyczyną.
Ilya Khel
