La fel cum ondulările dintr-un iaz indică faptul că cineva a aruncat o piatră, a alergat un contor de apă sau a sărit o broască, existența unei substanțe misterioase - materia întunecată - este determinată de influența sa vastă asupra spațiului. Astronomii nu o pot observa direct, dar gravitatea materiei întunecate determină nașterea, forma și mișcarea galaxiilor. Aceasta face ca descoperirea de anul trecut să fie complet neașteptată: într-o galaxie ciudată, difuză, nu s-a găsit deloc materie întunecată. Crezi că asta e totul? Oricât ar fi.
Galaxii fără materie întunecată
Mai mulți savanți au salutat această descoperire. Alții și-au exprimat îndoielile criticând măsurarea distanțelor și mișcării galaxiei. Miza este mare: dacă într-adevăr există o lipsă de materie întunecată în această galaxie, aceasta va confirma paradoxal existența acestei materii.
Astfel, echipa inițială a achiziționat dovezi suplimentare pentru a-și susține descoperirea inițială. În plus, o a doua galaxie a fost descoperită cu simptome similare. Acolo unde exista o galaxie ultradifuză fără materie întunecată (la prima vedere), acum există două.
„Un obiect poate fi întotdeauna eliminat ca un unicorn, dar imediat ce găsești doi unicorni, începi să te întrebi despre existența posibilă a unicornilor”, spune Michael Boylan-Kolchin, astronom la Universitatea din Texas din Austin, care nu a fost implicat în studiu. "Și atunci începi să te gândești de unde provin, care sunt proprietățile lor și cât de comune sunt."
Găsirea unicornilor
Video promotional:
Cele două galaxii care ne interesează sunt foarte slabe și departe de Pământ: fotonii din ciorchinii lor de stele au început să călătorească spre planeta noastră în ultimele zile ale domniei dinozaurilor, în urmă cu aproximativ 65 de milioane de ani. Prima galaxie NGC 1052-DF2 are dimensiunea Calea Lactee, dar conține de 100 de ori mai puține stele. Noua galaxie NGC 1052-DF4 este localizată în aceeași regiune a cerului și are aproximativ aceeași dimensiune și masă.
În martie anul trecut, oamenii de știință conduși de Shani Danieli și Peter van Dokkum de la Universitatea Yale au publicat un studiu care a estimat dimensiunea NGC 1052-DF2 prin observarea luminii sale în stele, precum și mișcările grupurilor de stele care îl înconjoară. Dacă NGC 1052-DF2 ar conține atât de multă materie întunecată, cum ar fi asteptați în mod normal astronomii, materia întunecată ar crește viteza orbitală a acestor fenomene stelare. Dar se mișcă încet, ceea ce sugerează că nu există materie întunecată. Criticii susțin că viteza acestor grupuri stelare a fost calculată greșit - și chiar dacă au fost corecte, dimensiunea eșantionului de doar 10 stele a fost prea modestă pentru a determina în mod fiabil stocul de materie întunecată de NGC 1052-DF2.
În octombrie, Danieli a decis să abordeze această problemă folosind o tehnică diferită. Ea a luat imaginea web Keck Cosmic, un nou instrument instalat recent în spatele oglinzii uriașe principale de 10 metri a telescopului Keck din Hawaii. Acest instrument poate măsura lumina de la obiecte foarte slabe, cu rezoluție extrem de ridicată, ceea ce îl face ideal pentru studierea galaxiilor ultradifuzive precum NGC 1052-DF2. Acest instrument a fost atât de bun încât Danieli nu a mai fost nevoit să studieze mișcările grupului stelar pentru a determina masa galaxiei. În schimb, ar putea obține masa direct, folosind direct lumina stelară a galaxiei.
În ceea ce privește informația, lumina stelară conține o mulțime de ele. Prin separarea luminii în culorile sale constitutive (aceasta se numește spectroscopie), oamenii de știință pot determina compoziția unei stele, vârsta, direcția în spațiu și viteza. Cea mai mare parte a acestor informații este transmisă sub formă de linii spectrale - elemente liniare înglobate în spectrul unei stele din cauza emisiilor sau absorbției diverselor elemente chimice. Instrumentul lui Keck a măsurat spectrul de aproximativ 10 milioane de stele din galaxia DF2. Mărimea răspândirii dintre cele mai rapide și mai lente stele din galaxie oferă o idee despre cât de mult interacționează materia cu ele. Cu cât mai multă materie - întunecată sau de alt tip - cu atât este mai mare răspândirea în viteza stelelor.
„Spre surprinderea noastră, am măsurat linii spectrale extrem de înguste, care lasă foarte puțin spațiu pentru mai multă masă decât masa adusă de stele în galaxie”, spune Danieli. Pur și simplu nu există loc pentru materia întunecată.
Între timp, Erik Emsellem de la Observatorul European Sud și colegii săi au explorat galaxia cu telescopul foarte mare din deșertul Atacama din Chile. Au descoperit, de asemenea, dispersia cu viteză mică care susține scenariul lipsei de materie întunecată.
Nicholas Martin, astronom la Universitatea Strasbourg din Franța, a fost unul dintre criticii articolului inițial. Într-o lucrare de urmărire publicată anul trecut, el a susținut că este prea dificil să estimați masa galaxiei DF2 pe baza mișcărilor grupului stelar din jur. Dar Martin spune că a fost liniștit de ultimele rezultate ale lui Danieli și Emsell.
„Acest lucru a devenit posibil datorită noilor instrumente care au ajuns pe cele mai mari telescoape de pe planetă. Și, ca să fiu sincer, în urmă cu un an nu era evident pentru mine că acest lucru ar fi posibil. Acum un an nu eram gata să spun că acest sistem va fi în mod neapărat ciudat, deoarece mi s-a părut că măsurătorile nu sunt pe deplin acceptate de date. Dar acum că există două echipe diferite care au măsurat în sine intervalul de viteză al stelelor, cred că a devenit evident că există o ciudatenie.
Descoperirile lui Danieli au fost prezentate la o conferință despre materia întunecată la Universitatea Princeton și vor fi publicate în Astrophysical Journal Letters.
În general, cercetările sale sugerează că există o întreagă clasă de astfel de galaxii sărace cu materii întunecate.
În căutarea materiei lipsă
Unii astronomi își aduc creierele asupra modului în care s-ar putea forma astfel de galaxii și unde a mers materia întunecată. Boylan-Kolchin spune că o posibilitate este atracția gravitațională a unei galaxii vecine, mult mai mari, separate de materia întunecată. Sau DF2 și DF4 pot să nu fie deloc galaxii, ci colecții modeste de stele deghizate în galaxii; în acest caz, aceste grupuri izolate de stele se pot forma din jeturi de coliziune a gazelor care scapă dintr-o altă locație. Sau pot exista scenarii și mai plictisitoare, de exemplu, orientarea galaxiilor în raport cu Pământul, care afectează în mod negativ obținerea măsurărilor spectrale exacte ale mișcărilor lor.
Un lucru este clar sigur: dacă nu apar îndoieli importante, absența materiei întunecate în galaxii va arăta în mod convingător că această materie este separată de stele, gaz, praf și alte materii obișnuite. Și, la rândul său, va consolida argumentul pentru existența materiei întunecate.
Până în prezent, nimeni nu a descoperit cu siguranță materia întunecată, în ciuda deceniilor de cercetări intense. Lipsa dovezilor a determinat unii astrofizici să caute modalități alternative de a sculpta galaxiile și de a controla mișcarea lor prin apariția unor ipoteze precum „gravitația emergentă” și „dinamica newtoniană modificată”. Proponenții acestor ipoteze susțin că majoritatea astronomilor cred că materia întunecată poate fi un fenomen care apare din fizică pe care nu îl înțelegem pe deplin. Dar, în acest caz, aceste galaxii ciudate vor vorbi în favoarea faptului că alternativele sunt greșite și că materia întunecată poate fi într-adevăr cauza.
Ilya Khel
