Tāpat kā dīķa vilkumi norāda uz to, ka kāds iemeta akmeni, skrēja ūdens skaitītāju vai uzlēca varde, noslēpumainas vielas - tumšās vielas - esamību nosaka tās milzīgā ietekme uz kosmosu. Astronomi to nevar tieši novērot, bet tumšās matērijas smagums nosaka galaktiku dzimšanu, formu un kustību. Tas padara pagājušā gada atklājumu par pilnīgi negaidītu: dīvainā, izkliedētā galaktikā tumšā viela vispār netika atrasta. Vai jūs domājat, ka tas viss ir? Lai kā arī nebūtu.
Galaktikas bez tumšās matērijas
Vairāki zinātnieki atzinīgi novērtēja šo atklājumu. Citi ir izteikuši savas šaubas, kritizējot galaktikas attālumu un kustības mērījumus. Likmes ir augstas: ja šajā galaktikā patiešām trūkst tumšās matērijas, tas paradoksālā veidā apstiprinās šīs matērijas esamību.
Un tā, sākotnējā komanda ir ieguvusi papildu pierādījumus sava sākotnējā atklājuma atbalstam. Turklāt ir atklāta otra galaktika ar līdzīgiem simptomiem. Ja kādreiz bija viena īpaši izkliedēta galaktika, kas nesatur tumšo vielu (no pirmā acu uzmetiena), tagad ir divas.
“Vienu priekšmetu vienmēr var norakstīt kā vienradzi, bet, tiklīdz atrodat divus vienradzus, jūs sākat interesēties par iespējamo vienradžu esamību,” saka Maikls Bolans-Kolčins, Teksasas Universitātes Ostinas astronoms, kurš nebija iesaistīts pētījumā. "Un tad jūs sākat domāt par to, no kurienes viņi nāca, kādas ir viņu īpašības un cik bieži viņi ir."
Vienradžu atrašana
Reklāmas video:
Divas mūs interesējošās galaktikas ir ļoti novājētas un tālu no Zemes: fotoni no viņu zvaigžņu kopām sāka ceļot uz mūsu planētu pēdējās dinozauru valdīšanas dienās, apmēram pirms 65 miljoniem gadu. Pirmā galaktika NGC 1052-DF2 ir Piena Ceļa izmērs, taču tajā ir 100 reizes mazāk zvaigžņu. Jaunā galaktika NGC 1052-DF4 atrodas tajā pašā debesu reģionā un ir aptuveni vienāda lieluma un masas.
Pagājušā gada martā zinātnieki Shani Danieli un Peter van Dokkum no Jēlas universitātes publicēja pētījumu, kurā tika noteikts NGC 1052-DF2 lielums, novērojot tā zvaigžņu gaismu, kā arī zvaigžņu kopu kustības, kas to ieskauj. Ja NGC 1052-DF2 saturētu tik daudz tumšās vielas, kā astronomi no tās parasti gaidītu, tumšā viela palielinātu šo zvaigžņu parādību orbitālo ātrumu. Bet tie pārvietojas lēni, kas liek domāt, ka tumšās matērijas nav. Kritiķi apgalvo, ka šo zvaigžņu kopu ātrumi tika aprēķināti nepareizi - un, pat ja tie bija pareizi, tikai 10 zvaigžņu kopu izlases lielums bija pārāk pieticīgs, lai ticami noteiktu NGC 1052-DF2 tumšās vielas krājumu.
Oktobrī Danieli nolēma šo jautājumu risināt, izmantojot citu paņēmienu. Viņa uzņēma Keck Cosmic Web Imager - jaunu instrumentu, kas nesen uzstādīts aiz Keka teleskopa milzu 10 metru galvenā spoguļa Havaju salās. Šis instruments var izmērīt gaismu no ļoti vājiem objektiem ar īpaši augstu izšķirtspēju, padarot to par ideālu ultraradifūžu galaktiku, piemēram, NGC 1052-DF2, pētīšanai. Šis rīks bija tik labs, ka Danieli vairs nevajadzēja pētīt zvaigžņu kopas kustības, lai noteiktu galaktikas masu. Tā vietā viņa varēja iegūt masu tieši, tieši izmantojot galaktikas zvaigznīti.
Informācijas ziņā zvaigžņu gaisma tajā satur daudz. Sadalot gaismu tās veidojošajās krāsās (to sauc par spektroskopiju), zinātnieki var noteikt zvaigznes sastāvu, tās vecumu, virzienu telpā un ātrumu. Lielākā daļa šīs informācijas tiek pārraidīta spektrālo līniju veidā - lineāri elementi, kas iestrādāti zvaigznes spektrā dažādu ķīmisko elementu izstarošanas vai absorbcijas dēļ. Keka instruments izmērīja aptuveni 10 miljonu zvaigžņu spektru DF2 galaktikā. Izkliedes lielums starp ātrākajām un lēnākajām zvaigznēm galaktikā sniedz priekšstatu par to, cik daudz matērijas mijiedarbojas ar tām. Jo vairāk matērijas - tumša vai kāda cita veida - jo lielāka ir zvaigžņu ātruma izplatība.
"Par mūsu pašu pārsteigumu mēs izmērījām ārkārtīgi šauras spektrālās līnijas, kas atstāj ļoti maz vietas vairāk masai, izņemot masu, ko zvaigznes ienes galaktikā," saka Danieli. Tumšajai matērijai vienkārši nav vietas.
Tikmēr Eriks Emselem no Eiropas Dienvidu observatorijas un viņa kolēģi ir izpētījuši galaktiku ar ļoti lielu teleskopu Čīles Atacama tuksnesī. Viņi arī atklāja izkliedi ar nelielu ātrumu, kas atbalsta trūkstošās tumšās vielas scenāriju.
Nikolajs Martins, Strasbūras Universitātes Francijā astronoms, bija viens no sākotnējā raksta kritiķiem. Pagājušajā gadā publicētajā turpinājuma dokumentā viņš apgalvoja, ka ir pārāk grūti novērtēt DF2 galaktikas masu, pamatojoties uz apkārtējo zvaigžņu kopas kustībām. Bet Martins saka, ka viņu ir pārliecinājuši jaunākie Danieli un Emsell rezultāti.
“Tas ir kļuvis iespējams, pateicoties jauniem instrumentiem, kas nonākuši planētas lielākajos teleskopos. Un, godīgi sakot, pirms gada man nebija acīmredzams, ka tas būs iespējams. Pirms gada es nebiju gatavs teikt, ka šī sistēma būs pilnīgi dīvaina, jo man šķita, ka dati pilnībā neatbalsta mērījumus. Bet tagad, kad ir divas dažādas komandas, kuras pašas izmēra zvaigžņu ātruma diapazonu, es domāju, ka ir kļuvis acīmredzams, ka ir dīvainība."
Danieli atradumi tika prezentēti konferencē par tumšo vielu Prinstonas universitātē un tiks publicēti Astrophysical Journal Letters.
Kopumā viņas pētījumi liecina, ka ir vesela klase šādu tumšās matērijas nabadzīgo galaktiku.
Meklējot trūkstošo lietu
Daži astronomi sagrauj savas smadzenes par to, kā šādas galaktikas varētu veidoties un kurp devās tumšā matērija. Bojāns-Kolčins saka, ka viena no iespējām ir kaimiņu, daudz lielākas galaktikas, kas atdalīta no tumšās vielas, gravitācijas vilkme. Vai arī DF2 un DF4 var nebūt galaktikas, bet gan pieticīgas zvaigžņu kolekcijas, kas maskētas kā galaktikas; šajā gadījumā šīs izolētās zvaigžņu grupas varētu veidoties, saduroties ar gāzes strūklu, kas izkļūst citur. Vai arī var būt vēl garlaicīgāki scenāriji, piemēram, galaktiku orientācija attiecībā pret Zemi, kas nelabvēlīgi ietekmē precīzu to kustību spektrālo mērījumu iegūšanu.
Viena lieta ir pārliecināta: ja nerodas nopietnas šaubas, tumšās vielas neesamība galaktikās pārliecinoši parādīs, ka šī viela ir atdalāma no zvaigznēm, gāzes, putekļiem un citām parastajām matērijām. Un tas, savukārt, stiprinās argumentu par tumšās matērijas esamību.
Neraugoties uz gadu desmitiem ilgajiem intensīvajiem pētījumiem, līdz šim neviens nav atklājis tumšo vielu. Pierādījumu trūkums ir pamudinājis dažus astrofiziķus meklēt alternatīvus veidus, kā veidot galaktikas un kontrolēt to kustību, parādoties tādām hipotēzēm kā "topošā gravitācija" un "modificēta Ņūtona dinamika". Šo hipotēžu piekritēji apgalvo, ka vairums astronomu uzskata, ka tumšā matērija var būt parādība, kas rodas no fizikas, kuru mēs pilnībā neizprotam. Bet šajā gadījumā šīs dīvainās galaktikas runās par labu tam, ka alternatīvas ir nepareizas un ka tumšā matērija patiešām var būt iemesls.
Iļja Khel