Det er mørk energi som får universet til å utvide seg, og mørk materie som holder massive klumper og stjerneklynger sammen. Alle kjente galakser inneholder omtrent fem ganger mer mørk materie enn normalt. Imidlertid er det en galakse der mørk materie nesten er fraværende. Er det en galakse som utfordrer mørk materie, eller skjer det noe mer komplisert her?
Universet vårt er ikke som oss. Vi er sammensatt av atomer og andre former for vanlig materie, mens i henhold til dataene fra kosmiske observasjoner består det meste av universet av mørk materie. Det er mørk energi som får universet til å utvide seg, og mørk materie som holder massive klumper og stjerneklynger sammen. I alle kjente galakser er det omtrent fem ganger mer mørk materie enn normalt, noe som fører til gravitasjonseffektene vi observerer.
Men det er også unntak. I år har astronomer oppdaget en av de mest mystiske galakene, som er kalt NGC 1052-DF2. Den er spredt, på størrelse med Melkeveien, men den har mer enn hundre ganger færre stjerner enn vår. De første observasjonene viste at det nesten ikke er noe mørkt stoff i det (eller kanskje ikke nesten). Er det en galakse som utfordrer mørk materie, eller skjer det noe mer komplisert her? 2018 går mot slutten, og det er dette vi har lært så langt.
Da universet dukket opp i den formen vi kjenner, var det varmt, tett, nesten perfekt homogent. Den ekspanderte og ble fylt med materie og stråling. Da den ekspanderte, avkjølte den seg, og på grunn av dette mistet strålingen energi. Da materien begynte å dominere i universet, begynte tyngdekraften å tiltrekke ytterligere masse inn i tette områder. Dette førte til dannelse av gassklynger, stjerner, stjerneklynger og til slutt galakser.
Universet begynte å vokse på nøyaktig denne måten: først i minste takt og i liten skala. I et univers hvor gjennomsnittstettheten er den samme overalt, betyr en mindre lineær skala mindre masse. Når nye stjerner dannes i liten skala, kan vind, stråling og de resulterende supernovaene skyte ut store mengder vanlig materie innenfra. Som et resultat har mange småskala galakser vi observerer i dag, et annet forhold mellom mørk og vanlig materie, snarere enn standard fem til en.
Men i større skala, etter hvert som galakser utvides og blir på størrelse med Melkeveien, blir dette fem-til-en-forholdet nesten allestedsnærværende. Selv de største bølgene av stjernedannelse kan ikke fjerne store mengder materie fra galaksen. Vanlige stoffer kan bare trekkes ut av hjemmegalaksen ved rask reise gjennom galakse-klynger. Og de galaksene som er utenfor slike klynger, kan være rolige.
Dette var grunnen til at NGC 1052-DF2 var en stor overraskelse. Med de samme fysiske dimensjonene som Melkeveien, har den ikke de egenskapene vi finner i galaksen vår. Dette er ikke en spiral, den har ingen disk, ingen sentral fortykning, og antall stjerner i den er bare en halv prosent av antall stjerner i vår galakse. Det er heller ikke en elliptisk galakse, så den skiller seg fra vår, ikke bare i type. Men dette er alt tull i forhold til de odomitetene vi finner inni henne.
Det er mer enn 100 kuleformede stjerneklynger i Melkeveien vår, som er spredt i form av en glorie i hele galaksen vår. Disse objektene er hovedsakelig klynger på hundretusener eller til og med millioner av stjerner, som er konsentrert i et sfærisk område innenfor en radius på bare noen få titalls lysår. I de fleste tilfeller dannet de stjerner på en gang, for mange milliarder av år siden, og stjernene deres beveger seg inn i full overensstemmelse med tyngdelovene. Og i Melkeveien vår, vil disse kuleklyngene blandes relativt til hverandre med en hastighet på hundrevis av kilometer i sekundet. Dette stemmer overens med at Melkeveien har en stor og massiv ring av mørk materie.
Salgsfremmende video:
Men NGC 1052-DF2 er en annen historie. Denne galaksen har vanligvis vanlige kuleklynger. Disse kuleklyngene er litt større enn våre, men dette er ikke overraskende. Utrolig i noe annet. De har alle omtrent samme hastighet.
Denne observasjonen virker veldig tvilsom. I enhver galakse må det være en sammenheng mellom hvor raske gjenstander beveger seg inne, og hva som er den totale gravitasjonsmassen for deres sammensetning. Dette forholdet manifesterer seg på forskjellige måter, avhengig av hvordan du ser på det. Men kanskje den enkleste måten å betjene er energi. Det er en balanse mellom potensiell og kinetisk energi.
Når det er en slik haug med gjenstander i galaksen, som er påvirket av den samme totale massen, kan vi forvente at noen av disse objektene vil nærme seg oss, og noen vil bevege seg bort. Det kan forventes at jo større den totale massen er, desto større er forskjellen i hastighet mellom de gjenstandene som raskt nærmer seg og går tilbake. Astronomer kaller noen ganger denne hastighetsdispersjonen, som er fordelingen av hvor fort forskjellige gjenstander beveger seg i forhold til hverandre.
I Melkeveien er hastighetsdispersjonen stor mellom kuleklynger, i snitt ± 200-300 km / s, noe som tilsvarer solens hastighet rundt sentrum av galaksen. Imidlertid i NGC 1052-DF2 er bevegelsene til kuleklynger så ubetydelige at det virker som om det er veldig liten masse og det praktisk talt ikke er rom for mørk materie.
Det er mulig det har kommet en feil inn i målingene, men dette er lite sannsynlig. Det er også mulig at det praktisk talt ikke er noen mørk materie inne i slike galakser, men dette scenariet er i strid med teoretiske forutsetninger. Men før vi begynner å snakke om målingers feil og teorier, er det viktig å utelukke den mest sannsynlige muligheten i slike tilfeller: at målingene er riktige, og at mørk materie er der.
I så fall trenger vi en uavhengig metode for måling av mørk materie.
Det er en åpenbar måte å vise at målingene er riktige, og galaksen inneholder fortsatt mørk materie: hvis de bevegelige kuleklyngene vi observerer, indikerte ikke hvordan materien faktisk beveger seg i galaksen. Fra dypet av Melkeveien kan vi observere at kuleklynger er jevnt fordelt i den. Men hvis vi finner kuleklynger bare på de fjerneste punktene i deres bane fra sentrum av NGC 1052-DF2, lener de seg mot kunstige lavhastighetsdispersjoner.
Det er uklart hvorfor dette er slik, men NGC 1052-DF2 ligger i en avstand på 65 millioner lysår, er upraktisk å observere. Dette er nøyaktig linjen som Hubble ikke ser individuelle stjerner. Og siden det er en ekstremt spredt galakse, er målingene enda vanskeligere der. Men hvis du samler et stort antall spektrale målinger over hele galaksen, og deretter legger dem til, kan du måle spredningen av stjernenes hastighet i galaksen.
Dette er en mer direkte måling av galaktisk masse sammenlignet med kuleklyngemålinger. Ved å bestemme hvordan alle stjernene beveger seg inne, får vi et bedre inntrykk av hvordan stjernene inne beveger seg i forhold til galaksen som helhet.
I stedet for noen få poengmålinger som vi bruker for å få den indre massen, har vi et større sett med mer konsistente data til rådighet. Globusformede klynger viser svært liten relativ forskyvning, noe som indikerer at det er lite masse og lite mørkt stoff. Men det er en stor antagelse her. Vi tar utgangspunkt i at målinger av flere kuleklynger preger bevegelsen av stjerner innenfor.
Da forskere tok disse målingene, fant de ut at stjernene inne beveger seg relativt til hverandre.
Dette er de første resultatene av en spektral analyse av stjerner inne i en superspredt galakse, men de viser at hastighetsdispersjon fremdeles eksisterer der. Det er bare en liten brøkdel av hastighetsdispersjonen av Melkeveien, siden hastigheten der er ± 16 km / s, men dette er ganske normalt for en superspredt galakse. Mer nøyaktige masseberegninger for stjernene inne i galaksen, snarere enn basert på flere kuleklynger, indikerer at det fortsatt må være en betydelig mengde mørk materie inne.
Selv når hastighetsdispersjonen av stjerner er liten, ± 16 km / s, er dette nok til å trekke tvil om tidligere resultater som indikerer fravær av mørk materie. I tillegg målte teamet som utførte disse målingene også ytterligere to stjerneklynger og forbedret resultatene fra fem andre målinger, og det viste seg at den indre hastighetsdispersjonen for disse 12 klyngene er totalt 10,5 km / s totalt.
Det vil være rettferdig å si at galakser eksisterer av alle slag - i form, størrelse, tetthet og masse. Til tross for det vi vet, er vi fortsatt i ferd med å lære om hvordan de dannes, utvikler seg og vokser i universet. Men hver gang vi har en fantastisk observasjon, må vi først sjekke om den vil finne bekreftelse hvis vi gjør den samme observasjonen ved å bruke en annen metode.
De nye observasjonene beviser ikke eksistensen av mørk materie, men de fjerner hovedgrunnen til å tvile på det. Vi har nå ikke et eget objekt som ikke har noen kosmisk forklaring, men et objekt som tilsvarer observasjoner av mange andre lignende objekter i samme klasse. NGC 1052-DF2 er et interessant objekt som er verdig til videre studier, men det er usannsynlig at det mangler fullstendig i mørk materie. Observasjon er alltid den beste referansen, men dette resultatet understreker hvor viktig det er å uavhengig verifisere arbeidet som gjøres før du oppnår grandiose og revolusjonerende konklusjoner.
Ethan Siegel
