The Enduring Mystery of the Dragonfly 44 Galaxy

Το 2016, αστρονόμοι με επικεφαλής τον Pieter van Dokkum του Πανεπιστημίου Yale δημοσίευσαν ένα έγγραφο-βόμβα που ισχυριζόταν ότι ανακάλυψαν έναν γαλαξία τόσο αμυδρό, αλλά τόσο ευρύ και βαρύ, που πρέπει να είναι σχεδόν εντελώς αόρατος. Εκτίμησαν ότι ο γαλαξίας, που ονομάζεται Dragonfly 44, είναι κατά 99,99% σκοτεινή ύλη.

Ακολούθησε μια έντονη συζήτηση σχετικά με τις ιδιότητες του Dragonfly 44 που παραμένει άλυτη. Εν τω μεταξύ, έχουν εμφανιστεί περισσότεροι από 1.000 παρόμοιοι μεγάλοι αλλά αμυδροί γαλαξίες.

Το Dragonfly 44 και τα παρόμοια του είναι γνωστά ως υπερδιάχυτοι γαλαξίες (UDGs). Ενώ μπορεί να είναι τόσο μεγάλοι όσο οι μεγαλύτεροι συνηθισμένοι γαλαξίες, οι UDG είναι εξαιρετικά αμυδροί - τόσο αμυδροί που, στις τηλεσκοπικές έρευνες του ουρανού, «είναι καθήκον να φιλτράρουμε τον θόρυβο χωρίς να φιλτράρουμε κατά λάθος αυτούς τους γαλαξίες», είπε ο Paul Bennet, ένας αστρονόμος στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη. Το φωτεινό αέριο σχηματισμού άστρων που είναι άφθονο σε άλλους γαλαξίες φαίνεται να έχει εξαφανιστεί στους UDGs, αφήνοντας μόνο έναν σκελετό από ηλικιωμένα αστέρια.

Η ύπαρξή τους έχει προκαλέσει σάλο στη γαλαξιακή εξελικτική θεωρία, η οποία απέτυχε να τους προβλέψει. «Δεν εμφανίστηκαν σε προσομοιώσεις», είπε ο van Dokkum. "Πρέπει να κάνετε κάτι ιδιαίτερο για να κάνετε έναν γαλαξία τόσο μεγάλο και αχνό."

Άγριες νέες θεωρίες έχουν προκύψει για να εξηγήσουν πώς προέκυψαν το Dragonfly 44 και άλλα UDG. Και αυτές οι γιγάντιες μουτζούρες φωτός μπορεί να παρέχουν νέα στοιχεία για το αόρατο χέρι της σκοτεινής ύλης.

Υπερβολικά πολύ σκοτεινή ύλη

Καθώς η βαρύτητα φέρνει μαζί συστάδες αερίων και άστρων, οι συνδυασμένες ενέργειες και ορμή τους αναγκάζουν το mashup να φουσκώσει και να περιστραφεί. Τελικά ένας γαλαξίας αναδύεται.

Υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα. Καθώς οι γαλαξίες περιστρέφονται, θα πρέπει να διαλύονται. Δεν φαίνεται να έχουν αρκετή μάζα - και επομένως βαρύτητα - για να κολλήσουν μεταξύ τους. Η έννοια της σκοτεινής ύλης επινοήθηκε για να παρέχει τη βαρύτητα που λείπει. Σε αυτήν την εικόνα, ένας γαλαξίας βρίσκεται μέσα σε ένα μεγαλύτερο συγκρότημα μη φωτεινών σωματιδίων. Αυτό το «φωτοστέφανο» της σκοτεινής ύλης συγκρατεί τον περιστρεφόμενο γαλαξία ενωμένο.

Ένας τρόπος για να εκτιμηθεί η ταχύτητα περιστροφής ενός γαλαξία, και επομένως η περιεκτικότητά του σε σκοτεινή ύλη, είναι μετρώντας τα σφαιρικά σμήνη αστεριών του. «Δεν ξέρουμε γιατί, από θεωρητική άποψη», είπε ο Bennet, αλλά ο αριθμός αυτών των «σφαιρικών σμηνών» συσχετίζεται στενά με αυτές τις πιο δύσκολα μετρήσιμες ιδιότητες. Στην εργασία του 2016, ο van Dokkum μέτρησε 94 σφαιρικά σμήνη μέσα στο Dragonfly 44 — αριθμός που υπονοούσε ένα εξαιρετικά μεγάλο φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης, παρά το πόσο λίγη ορατή ύλη έχει ο γαλαξίας.

Κανείς δεν είχε δει ποτέ κάτι παρόμοιο. Ο Van Dokkum και οι συγγραφείς του πρότειναν ότι το Dragonfly 44 θα μπορούσε να είναι ένας «αποτυχημένος Γαλαξίας»:ένας γαλαξίας με φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης στο μέγεθος του Γαλαξία που υπέστη ένα μυστηριώδες γεγονός νωρίς που του έκλεψε το αέριο σχηματισμού άστρων, αφήνοντάς του με τίποτα άλλο από γερασμένα αστέρια και ένα γιγάντιο φωτοστέφανο.

Ή No Dark Matter

Το αντικείμενο προσέλκυσε το ενδιαφέρον ενός άλλου στρατοπέδου αστρονόμων που υποστηρίζουν ότι η σκοτεινή ύλη δεν υπάρχει καθόλου. Αυτοί οι ερευνητές εξηγούν τη βαρύτητα που λείπει από τους γαλαξίες τροποποιώντας τον νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα, μια προσέγγιση που ονομάζεται τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική ή MOND.

Σύμφωνα με τον MOND, η τροποποιημένη βαρυτική δύναμη για κάθε γαλαξία υπολογίζεται από την αναλογία μάζας προς φως των αστεριών του — τη συνολική μάζα τους διαιρούμενη με τη φωτεινότητά τους. Οι θεωρητικοί της MOND δεν εικάζουν γιατί η δύναμη θα εξαρτιόταν από αυτή την αναλογία, αλλά ο ad hoc τύπος τους ταιριάζει με τις παρατηρούμενες ταχύτητες των περισσότερων γαλαξιών, χωρίς την ανάγκη επίκλησης της σκοτεινής ύλης.

Όταν κυκλοφόρησε η είδηση ​​για το Dragonfly 44, η συνήγορος του MOND Stacy McGaugh, αστρονόμος στο Case Western Reserve University, υπολόγισε από την αναλογία μάζας προς φως ότι θα έπρεπε να περιστρέφεται πιο αργά από ό,τι υποδεικνύεται από την αρχική εκτίμηση του van Dokkum. Ο υπολογισμός MOND δεν φάνηκε να ταιριάζει με τα δεδομένα.

Στη συνέχεια, όμως, το 2019, η ομάδα του van Dokkum υποβάθμισε την ταχύτητα περιστροφής του Dragonfly 44 χρησιμοποιώντας βελτιωμένα δεδομένα. Η MOND δικαιώθηκε. "Το Dragonfly 44 είναι ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο αυτά τα δεδομένα εξελίσσονται ώστε να συμφωνούν με τη MOND", δήλωσε ο McGaugh.

Ωστόσο, για την πλειοψηφία των αστρονόμων, που πιστεύουν στη σκοτεινή ύλη, η πιο αργή ταχύτητα περιστροφής απλώς υπονοούσε ότι το φωτοστέφανο του Dragonfly 44 είναι μικρότερο από ό,τι πίστευαν. Το 2020, μια ανεξάρτητη ομάδα μείωσε περαιτέρω το φωτοστέφανο μετρώντας δραματικά λιγότερα σφαιρικά σμήνη, αλλά ο van Dokkum αμφισβητεί αυτό το αποτέλεσμα. Αν και το μέγεθος του φωτοστέφανου παραμένει αβέβαιο, μπορεί να είναι λιγότερο μαζικό από ό,τι αρχικά υποτίθεται, υποδηλώνοντας ότι το Dragonfly 44 δεν είναι τελικά ένας αποτυχημένος Γαλαξίας.

Big Old Galaxy

Μια παραξενιά που ανακαλύφθηκε πρόσφατα έχει επιδεινώσει το μυστήριο.

Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Αύγουστο, η ομάδα του van Dokkum ανακάλυψε ότι το Dragonfly 44 είναι εξαιρετικά αρχαίο, καθώς σχηματίστηκε μεταξύ 10 και 13 δισεκατομμυρίων ετών πριν.

Αλλά ένας τόσο παλιός γαλαξίας δεν πρέπει να είναι τόσο μεγάλος όσο το Dragonfly 44. Τα αντικείμενα του πρώιμου σύμπαντος τείνουν να είναι πιο συμπαγή επειδή σχηματίστηκαν πριν από την ταχεία διαστολή του σύμπαντος.

Επιπλέον, ένας τόσο παλιός γαλαξίας θα έπρεπε να είχε σχιστεί εντελώς μέχρι τώρα. Το ότι το Dragonfly 44 έχει συγκρατηθεί υποδηλώνει ότι τελικά έχει ένα βαρύ φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης - δυνητικά αποκαθιστώντας την υπόθεση του «αποτυχημένου Γαλαξία». "Αυτή είναι μια πραγματικά διασκεδαστική εξήγηση, γι' αυτό μου αρέσει, αλλά δεν ξέρω αν είναι σωστή", είπε ο van Dokkum.

Μια άλλη εξήγηση, η υπόθεση του «υψηλού σπιν», υποστηρίζει ότι δύο μικροί γαλαξίες συγχωνεύτηκαν ενώ περιστρέφονταν προς την ίδια κατεύθυνση, έτσι ώστε ο προκύπτων γαλαξίας, Dragonfly 44, απέκτησε τη γωνιακή ορμή και των δύο. Αυτό το έκανε να περιστρέφεται πιο γρήγορα, φουσκώνοντάς το και φυσώντας το υλικό που δημιουργεί αστέρια.

UDG με εκθαμβωτική ποικιλία

Εν μέσω της εξέτασης του Dragonfly 44, οι αστρονόμοι έχουν επίσης καταγράψει μια τεράστια και ποικιλόμορφη συλλογή άλλων εξαιρετικά διάχυτων γαλαξιών. Τα ευρήματα τους αναγκάζουν να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι οι γαλαξίες σχηματίζονται με περισσότερους τρόπους από αυτούς που γνώριζαν.

Ορισμένα νεοανακαλυφθέντα UDGs φαίνεται να στερούνται εντελώς τη σκοτεινή ύλη. Η ομάδα του Van Dokkum αναγνώρισε έναν τέτοιο γαλαξία το 2018 και στη συνέχεια εντόπισε ένα ίχνος άλλων κοντά. Αυτόν τον Μάιο, η ομάδα υπέθεσε στη Φύση ότι το ίχνος σχηματίστηκε σε μια πολύ παλιά σύγκρουση δύο γαλαξιών. Η σύγκρουση επιβράδυνε τη ροή του αερίου των γαλαξιών, αλλά η σκοτεινή ύλη τους συνέχιζε να λειτουργεί σαν να μην είχε συμβεί τίποτα. Το αέριο στη συνέχεια συμπιέστηκε σε συστάδες άστρων, σχηματίζοντας τελικά μια σειρά από γαλαξίες χωρίς σκοτεινή ύλη.

Εν τω μεταξύ, ο Bennet ανακάλυψε δύο UDG το 2018 που οδηγούν σε μια διαφορετική θεωρία σχηματισμού. Σε κάθε περίπτωση, οι παλιρροϊκές δυνάμεις από έναν βαρύ κοντινό γαλαξία φαίνεται να έχουν διασχίσει τον UDG, φουσκώνοντάς τον και κλέβοντας το αέριό του. (Αυτό δεν μπορεί να εξηγήσει το Dragonfly 44, το οποίο βρίσκεται πολύ μακριά από βαρείς γαλαξίες.)

Παραδόξως, μια εφημερίδα του Σεπτεμβρίου ανέφερε τον πρόσφατο σχηματισμό άστρων σε ένα UDG, που έρχεται σε αντίθεση με την ιδέα ότι φιλοξενούν μόνο παλιά αστέρια.

Ένα τέτοιο εύρος UDG που φαίνονται το ίδιο εξωτερικά αλλά διαφέρουν εσωτερικά μπορεί να επικυρώσει τη θεωρία της σκοτεινής ύλης έναντι του MOND. "Εάν τα αστέρια κινούνται πολύ γρήγορα σε έναν γαλαξία και πολύ αργά στον άλλο, αυτό είναι μεγάλο πρόβλημα για αυτές τις εναλλακτικές θεωρίες", είπε ο van Dokkum.

Ο McGaugh συμφώνησε ότι εάν υπάρχουν «γνήσιες ακραίες τιμές» μεταξύ του πληθυσμού του UDG, «αυτό είναι πράγματι ένα πρόβλημα για τη MOND». Ωστόσο, πρόσθεσε, «αυτό δεν κάνει αυτόματα τη σκοτεινή ύλη καλύτερη ερμηνεία».

Οι οριστικές απαντήσεις θα απαιτήσουν νέα τηλεσκόπια. Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb που λειτούργησε πρόσφατα έχει ήδη εντοπίσει μακρινούς γαλαξίες όπως εμφανίζονταν όταν σχηματίζονταν στο πρώιμο σύμπαν, κάτι που θα βοηθήσει στη δοκιμή και την τελειοποίηση των εκκολαπτόμενων ιδεών.

«Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι ακόμα δεν ξέρουμε τι υπάρχει εκεί έξω», είπε ο van Dokkum. "Υπάρχουν γαλαξίες που δεν έχουμε ανακαλύψει, οι οποίοι είναι πολύ μεγάλοι, πολύ κοντά και έχουν ασυνήθιστες ιδιότητες, και δεν υπάρχουν στους τρέχοντες καταλόγους μας ακόμα και μετά από όλες αυτές τις δεκαετίες μελέτης του ουρανού."