Kao što pukotine u ribnjaku ukazuju na to da je netko bacio kamen, istrčao vodomjer ili skočio žabu, postojanje tajanstvene tvari - tamne materije - određuje se velikim utjecajem prostora. Astronomi ga ne mogu izravno promatrati, ali gravitacija tamne materije određuje rođenje, oblik i kretanje galaksija. To čini prošlogodišnje otkriće potpuno neočekivanim: u čudnoj, difuznoj galaksiji, nije pronađena nijedna tamna tvar. Mislite li da je to sve? Bez obzira kako je.
Galaksije bez tamne materije
Nekoliko je učenjaka pozdravilo ovo otkriće. Drugi su izrazili sumnju kritizirajući mjerenje udaljenosti i kretanja galaksije. Ulozi su veliki: ako doista postoji nedostatak tamne materije u ovoj galaksiji, to će paradoksalno potvrditi postojanje ove materije.
I tako je izvorni tim prikupio dodatne dokaze koji podupiru njegovo izvorno otkriće. Pored toga, otkrivena je i druga galaksija sa sličnim simptomima. Tamo gdje je nekad postojala jedna ultradifuzna galaksija bez tamne materije (na prvi pogled), sada postoje dvije.
"Jedan predmet se uvijek može otpisati kao jednorog, ali čim nađete dva jednoroga, počnete se pitati o mogućem postojanju jednoroga", kaže Michael Boylan-Kolchin, astronom sa Sveučilišta u Teksasu u Austinu, koji nije bio uključen u studiju. "I tada počnete razmišljati odakle potječu, koja su njihova svojstva i koliko su česta."
Pronalaženje jednoroga
Promotivni video:
Dvije galaksije koje nas zanimaju vrlo su slabe i udaljene su od Zemlje: fotoni iz njihovih zvjezdanih grozdova počeli su putovati prema našem planetu u posljednjim danima vladavine dinosaura, prije oko 65 milijuna godina. Prva galaksija NGC 1052-DF2 veličine je Mliječnog puta, ali sadrži 100 puta manje zvijezda. Nova galaksija NGC 1052-DF4 nalazi se na istom području neba i približno je iste veličine i mase.
Prošlog ožujka, znanstvenici pod vodstvom Shani Danieli i Petera van Dokkuma sa sveučilišta Yale objavili su studiju u kojoj su procijenili veličinu NGC 1052-DF2 promatrajući njezinu zvjezdanu svjetlost, kao i kretanja zvjezdanih nakupina koje ga okružuju. Ako bi NGC 1052-DF2 sadržavao onoliko tamne materije koliko bi astronomi normalno očekivali od njega, tamna tvar bi povećala orbitalne brzine ovih zvjezdanih pojava. Ali oni se kreću sporo, što sugerira da nema tamne materije. Kritičari tvrde da su brzine tih zvjezdanih grozdova pogrešno izračunane - pa čak i ako su bile točne, veličina uzorka od samo 10 zvijezdanih klastera bila je previše skromna da bi pouzdano mogla odrediti zalihe tamne materije NGC 1052-DF2.
U listopadu je Danieli odlučio riješiti to pitanje drugačijom tehnikom. Uzela je Keck Cosmic Web Imager, novi instrument nedavno instaliran iza džinovskog 10-metarskog glavnog zrcala Keck teleskopa na Havajima. Ovaj instrument može mjeriti svjetlost iz vrlo slabih objekata izuzetno visoke rezolucije, što ga čini idealnim za proučavanje ultradifuznih galaksija poput NGC 1052-DF2. Ovaj je alat bio toliko dobar da Danieli više nije morao proučavati kretanja zvjezdane skupine kako bi odredio masu galaksije. Umjesto toga, mogla bi dobiti masu izravno, izravno koristeći zvjezdanu svjetlost galaksije.
Zvjezdano svjetlo u smislu informacija sadrži jako puno. Razdvajanjem svjetlosti na njegove sastavne boje (to se naziva spektroskopija), znanstvenici mogu odrediti sastav zvijezde, njezinu starost, smjer u prostoru i brzinu. Većina tih podataka prenosi se u obliku spektralnih linija - linearnih elemenata ugrađenih u spektar zvijezde zbog emisije ili apsorpcije različitih kemijskih elemenata. Keckov je instrument mjerio spektar od oko 10 milijuna zvijezda u galaksiji DF2. Veličina širenja između najbržih i najsporijih zvijezda u galaksiji daje predstavu o tome koliko materije djeluje na njih. Što je više materije - tamne ili neke druge vrste - veće je širenje u brzinama zvijezda.
"Na naše iznenađenje, izmjerili smo izuzetno uske spektralne linije koje ostavljaju vrlo malo prostora za više mase osim mase koju zvijezde donose u galaksiju", kaže Danieli. Jednostavno nema mjesta za tamnu materiju.
U međuvremenu, Erik Emsellem iz Europskog opservatorija za jug i njegovi kolege istražuju galaksiju s Velikim teleskopom u čileanskoj pustinji Atacama. Također su otkrili disperziju male brzine koja podupire nedostajući scenarij tamne materije.
Nicholas Martin, astronom sa Sveučilišta u Strasbourgu u Francuskoj, bio je jedan od kritičara izvornog članka. U slijedećem tekstu objavljenom prošle godine tvrdio je da je preteško procijeniti masu galaksije DF2 na temelju kretanja okolnog zvjezdanog skupa. Ali Martin kaže da su ga umirili najnovijim rezultatima Danielija i Emsela.
"To je postalo moguće zahvaljujući novim instrumentima koji su stigli u najveće teleskope na planeti. I, da budem iskren, prije godinu dana nije mi bilo očito da bi to bilo izvedivo. Prije godinu dana nisam bio spreman reći da će ovaj sustav biti potpuno nužno čudan, jer mi se učinilo da mjerenja nisu u potpunosti potkrijepljena podacima. Ali sada kad postoje dvije različite ekipe koje su izmjerile raspon brzina samih zvijezda, mislim da je postalo očito da postoji čudnoća."
Danielijevi nalazi predstavljeni su na konferenciji o tamnoj materiji na Sveučilištu Princeton i bit će objavljeni u Astrofizičkom časopisu Letters.
Sveukupno, njezino istraživanje sugerira da postoji čitav razred takvih galaksija siromašnih materijom.
U potrazi za materijom koja nedostaje
Neki astronomi razbijaju mozak o tome kako bi se takve galaksije mogle formirati i kamo je krenula tamna tvar. Boylan-Kolchin kaže da je jedna mogućnost gravitacijsko povlačenje susjedne, mnogo veće galaksije, odvojene od tamne materije. Ili DF2 i DF4 možda uopće nisu galaksije, već skromne zbirke zvijezda prerušenih u galaksije; u ovom bi se slučaju ove izolirane skupine zvijezda mogle formirati iz sudarajućih mlazova plina koji bježe drugdje. Ili mogu biti još dosadniji scenariji, na primjer, orijentacija galaksija u odnosu na Zemlju, što nepovoljno utječe na dobivanje točnih spektralnih mjerenja njihovih kretanja.
Jedno je sigurno: ako se ne pojave teške sumnje, odsutnost tamne materije u galaksijama uvjerljivo će pokazati da je ta materija odvojena od zvijezda, plina, prašine i drugih običnih materija. A to će zauzvrat ojačati argument za postojanje tamne materije.
Do danas nitko nije definitivno otkrio tamnu tvar, unatoč desetljećima intenzivnog istraživanja. Manjak dokaza natjerao je neke astrofizičare da potraže alternativne načine za skulpturu galaksija i kontrolu njihova kretanja kroz nastajanje hipoteza poput „gravitacije u nastajanju“i „modificirane newtonske dinamike“. Zagovornici ovih hipoteza tvrde da većina astronoma vjeruje da je tamna tvar fenomen koji proizlazi iz fizike koju ne razumijemo u potpunosti. Ali u ovom će slučaju ove čudne galaksije govoriti u prilog činjenici da su alternative pogrešne i da bi tamna materija doista mogla biti uzrok.
Ilya Khel