Akkurat som krusninger i et tjern indikerer at noen kastet en stein, løp en vannmåler eller hoppet en frosk, bestemmes eksistensen av et mystisk stoff - mørk materie - av dens enorme innflytelse på verdensrommet. Astronomer kan ikke observere det direkte, men alvoret av mørk materie bestemmer fødselen, formen og bevegelsen til galakser. Dette gjør fjorårets oppdagelse helt uventet: I en merkelig, diffus galakse ble det ikke funnet noen mørk materie i det hele tatt. Tror du det er alt? Uansett hvordan det er.
Galakser uten mørk materie
Flere forskere ønsket denne oppdagelsen velkommen. Andre har gitt uttrykk for tvil og kritisert målingen av galaksens avstander og bevegelse. Innsatsen er høy: hvis det virkelig er mangel på mørk materie i denne galaksen, vil det paradoksalt bekrefte eksistensen av denne saken.
Og slik har det originale teamet skaffet seg ytterligere bevis for å støtte opprinnelig oppdagelse. I tillegg har en andre galakse blitt oppdaget med lignende symptomer. Der det tidligere var en ultradiffus galakse fri for mørk materie (ved første øyekast), er det nå to.
"Én gjenstand kan alltid avskrives som en enhjørning, men så snart du finner to enhjørninger, begynner du å lure på den mulige eksistensen av enhjørninger," sier Michael Boylan-Kolchin, en astronom ved University of Texas i Austin, som ikke var involvert i studien. "Og så begynner du å tenke på hvor de kom fra, hva deres egenskaper er og hvor vanlige de er."
Finne enhjørninger
Salgsfremmende video:
De to galakser som er av interesse for oss er veldig svake og langt fra Jorden: fotoner fra stjerneklyngene deres begynte å reise mot planeten vår i de siste dagene av dinosaurenes regjeringstid, for rundt 65 millioner år siden. Den første galaksen NGC 1052-DF2 er på størrelse med Melkeveien, men inneholder 100 ganger færre stjerner. Den nye galaksen NGC 1052-DF4 ligger i samme himmelregion og er omtrent den samme i størrelse og masse.
I mars i fjor publiserte forskere ledet av Shani Danieli og Peter van Dokkum fra Yale University en studie som estimerte størrelsen på NGC 1052-DF2 ved å observere stjernelyset, så vel som bevegelsene til stjerneklyngene som omgir den. Hvis NGC 1052-DF2 inneholdt så mye mørk materie som astronomer normalt ville forvente av det, ville mørk materie øke omløpshastigheten til disse stjernefenomenene. Men de beveger seg treig, noe som antyder at det ikke er noen mørk materie. Kritikere hevder at hastighetene til disse stjerneklyngene ble feilberegnet - og selv om de var riktige, var prøvestørrelsen på bare 10 stjerneklynger for beskjeden til å pålitelig bestemme NGC 1052-DF2s mørkstoffbestand.
I oktober bestemte Danieli seg for å takle dette problemet ved å bruke en annen teknikk. Hun tok Keck Cosmic Web Imager, et nytt instrument som nylig ble installert bak det gigantiske 10 meter store speilet til Keck-teleskopet på Hawaii. Dette instrumentet kan måle lys fra veldig svake objekter med ekstremt høy oppløsning, noe som gjør det ideelt for å studere ultradiffuse galakser som NGC 1052-DF2. Dette verktøyet var så bra at Danieli ikke lenger måtte studere bevegelsene til stjerneklyngen for å bestemme galaksens masse. I stedet kunne hun få masse direkte, direkte ved å bruke stjernelyset i galaksen.
Når det gjelder informasjon, inneholder stjernelys mye av det. Ved å skille lys i de bestående fargene (dette kalles spektroskopi), kan forskere bestemme sammensetningen av en stjerne, dens alder, retning i rommet og hastighet. Det meste av denne informasjonen blir overført i form av spektrallinjer - lineære elementer innebygd i spekteret til en stjerne på grunn av utslipp eller absorpsjon av forskjellige kjemiske elementer. Kecks instrument målte spekteret til omtrent 10 millioner stjerner i DF2-galaksen. Størrelsen på spredningen mellom de raskeste og tregeste stjernene i galaksen gir en ide om hvor mye stoff som samhandler med dem. Jo mer materie - mørkt eller noe annet slag - jo større er spredningen i hastigheten til stjerner.
"Til vår egen overraskelse målte vi ekstremt smale spektrallinjer som etterlater veldig lite rom for mer masse annet enn massen som stjerner bringer inn i galaksen," sier Danieli. Det er rett og slett ikke noe sted for mørk materie.
I mellomtiden har Erik Emsellem fra European Southern Observatory og hans kolleger undersøkt galaksen med Very Large Telescope i Chiles Atacama-ørken. De oppdaget også spredning med lav hastighet som støtter det manglende scenariet med mørk materie.
Nicholas Martin, en astronom ved universitetet i Strasbourg i Frankrike, var en av kritikerne av den opprinnelige artikkelen. I et oppfølgingsdokument som ble publisert i fjor, argumenterte han for at det er for vanskelig å estimere massen til DF2-galaksen basert på bevegelsene til den omkringliggende stjerneklyngen. Men Martin sier at han har blitt beroliget av de siste resultatene fra Danieli og Emsell.
“Dette har blitt mulig takket være nye instrumenter som har kommet frem til de største teleskopene på planeten. Og for å være ærlig, for et år siden var det ikke åpenbart for meg at dette ville være gjennomførbart. For et år siden var jeg ikke klar til å si at dette systemet ville være helt nødvendigvis rart, fordi det syntes for meg at målinger ikke ble støttet fullt ut av dataene. Men nå som det er to forskjellige lag som har målt hastighetsområdet for stjernene selv, tror jeg det har blitt åpenbart at det er en underlighet."
Danielis funn ble presentert på en konferanse om mørk materie ved Princeton University og vil bli publisert i Astrophysical Journal Letters.
Totalt sett antyder forskningen hennes at det er en hel klasse av så mørke stofffattige galakser.
På leting etter den savnede saken
Noen astronomer rekker hjernen over hvordan slike galakser kunne dannes og hvor den mørke saken gikk. Boylan-Kolchin sier en mulighet er gravitasjonstrekket til en nærliggende, mye større galakse, atskilt fra mørk materie. Eller DF2 og DF4 er kanskje ikke galakser i det hele tatt, men beskjedne samlinger av stjerner forkledd som galakser; i dette tilfellet kan disse isolerte stjernegruppene dannes fra kolliderende jetgass som slapp andre steder. Eller det kan være enda kjedeligere scenarier, for eksempel orienteringen av galakser i forhold til Jorden, noe som påvirker negativt å få nøyaktige spektrale målinger av bevegelsene deres.
En ting er sikkert: hvis det ikke oppstår noen tung tvil, vil fraværet av mørk materie i galakser overbevisende vise at denne saken kan skilles fra stjerner, gass, støv og annen vanlig materie. Og det på sin side vil styrke argumentet for eksistensen av mørk materie.
Til dags dato har ingen definitivt oppdaget mørk materie, til tross for flere tiår med intens forskning. Mangel på bevis har fått noen astrofysikere til å lete etter alternative måter å skulpturere galakser og kontrollere bevegelsen deres gjennom fremveksten av hypoteser som "emergent gravity" og "modifisert newtonsk dynamikk." Talsmenn for disse hypotesene hevder at de fleste astronomer mener at mørk materie kan være et fenomen som oppstår fra fysikk som vi ikke helt forstår. Men i dette tilfellet vil disse rare galaksene tale for at alternativene er gale og at mørk materie faktisk kan være årsaken.
Ilya Khel
