W 2000 roku pewna galaktyka pojawiła się na płycie fotograficznej w postaci smugi. Była ogromna, wielkości Drogi Mlecznej, ale także niesamowicie trudna do zaobserwowania. Ktoś dał jej numer katalogowy i odłożył ją do szuflady.
Należy do nowej klasy zwanej ultra-rozproszoną galaktyką. tego typu galaktyki są mniej więcej tego samego rozmiaru, co nasza, ale w ich skład wchodzi setki, a nawet tysięcy razy mniej gwiazd i trudno je dostrzec przy dużo jaśniejszych obiektach w kosmosie. Po latach astronomowie przyjrzeli się im bliżej, korzystając z układu Dragonfly, teleskopu złożonego z 48 teleobiektywów – idealnego do oglądania ogromnych, słabych obiektów, takich jak ten.
Astronom Pieter van Dokkum i jego koledzy chcieli dowiedzieć się więcej o tym, jak one działają, ale szczegółowe spostrzeżenia (ostatnio opublikowane w Nature) były zaskakujące. Wydaje się, że ta galaktyka nie ma ciemnej materii.
Czym jest ciemna materia?
Nie mamy pojęcia, czym naprawdę jest ciemna materia, a “ciemna” może nie być najlepszym określeniem. Bez względu na to, wiemy, że coś takiego istnieje. Prawdopodobnie.
– Nie wykryliśmy jeszcze cząstek ciemnej materii, jeśli jest to, w ogóle cząstka. o ciemnej materii wiemy, bo oddziałuje na inne ciała i zjawiska – mówi van Dokkum. – Mam na myśli ruch gwiazd i galaktyk oraz załamanie światła wokół obiektów – dodaje.
Teoria ciemnej materii pomogła w wyjaśnianiu szerokiego spektrum zjawisk, w tym wzrostu i rozmieszczenia galaktyk w kosmosie.
– Gdybyśmy mogli zobaczyć wszechświat przez pryzmat ciemnej materii, gwiazdy i planety, które oglądamy na zdjęciach, byłyby tylko drobnym pyłkiem w morzu ciemnej materii. Jest ona tak naprawdę fundamentem, na którym wszystko jest zbudowane – mówi van Dokkum.
Co się dzieje w galaktyce?
Po zidentyfikowaniu galaktyki za pomocą Dragonfly, van Dokkum i jego koledzy zaczęli porównywać ją z innymi mapami nieba. Zauważyli około 10 jasnych punktów światła w galaktyce, to spektakularne wybuchy gwiazd znane jako gromady kuliste.
– To nas bardzo podekscytowało, ponieważ ta kombinacja światła rozproszonego i gromad kulistych jest naprawdę niezwykła. Oznaczało to, że możemy badać ruchy gromad kulistych, aby odkryć masę tej galaktyki – mówi van Dokkum.
Zasadniczo im więcej masy, tym szybciej się ona porusza. – Gdyby Słońce było czterokrotnie większe niż to, to Ziemia musiałaby się poruszać dwa razy szybciej, aby pozostać na swojej orbicie, w przeciwnym razie spadłaby w kierunku Słońca – wyjaśnia van Dokkum, mierząc ruch naszej planety wokół Słońca możesz określić masę gwiazdy.
Podobnie bada się galaktyki. Mierząc ruch gwiazd lub gromad w galaktyce, naukowcy mogą dowiedzieć się, jaką posiadają masę. – Jeśli obiekty poruszają się szybko, ciała oddziałujące na siebie muszą mieć dużą masę. Jeśli poruszają się powoli, musi być to bardzo niewielka masa, w przeciwnym razie zderzą się ze sobą – mówi van Dokkum.
A ta galaktyka porusza się bardzo, bardzo powoli. Tak powoli, że wydaje się nieruchoma. Dla van Dokkum oznacza to, że ta galaktyka nie może zawierać ciemnej materii.
Galaktyka bez ciemnej materii
Powoduje paradoksalne problemy dla badaczy poszukujących wyjaśnienia struktury wszechświata, która nie obejmuje ciemnej materii.
– Ludzie próbują ją znaleźć, ale im dłużej trwają poszukiwania, tym więcej osób zaczyna kwestionować jej istnienie i że poszukiwania idą w niewłaściwą stronę – mówi van Dokkum.
Niektóre alternatywne strategie obejmują ponowne zbadanie naszego podstawowego rozumienia grawitacji i odrzucenie idei ciemnej materii, stwierdzając, że zamiast tego wszystkie ruchy gwiazd i galaktyk można zrozumieć za pomocą zupełnie innej interpretacji fizyki.
Ale van Dokkum mówi, że ten obiekt stanowi prawdziwy problem dla tych teorii. Jeśli zmodyfikowane idee grawitacji są prawdziwe, a ciemna materia nie istnieje, to prawa fizyki rządzące wszystkimi galaktykami powinny być takie same. Gdyby tak było, musielibyśmy uznać, że nowa galaktyka zdaje się opierać prawom fizyki.
To dobra wiadomość dla fizyków takich jak Jodi Cooley, którzy pracują nad eksperymentami zaprojektowanymi do wykrywania ciemnej materii na Ziemi. Te eksperymenty nie zdołały jeszcze bezpośrednio wykryć ciemnej materii, więc dowód na to, że są na właściwej drodze, nawet z odległej galaktyki motywuje do dalszych poszukiwań.
Astronomowie tacy jak van Dokkum szukają innych kandydatów, aby dowiedzieć się, ile takich obiektów może być w kosmosie.
W międzyczasie naukowcy z innych dziedzin fizyki również będą kontynuować poszukiwania. Podczas gdy Jodi Cooley próbuje wykryć cząsteczki ciemnej materii na Ziemi, naukowcy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów rozbijają cząstki, próbując stworzyć własne i zbadać ich właściwości. W międzyczasie astrofizycy i astronomowie tacy jak van Dokkum kontynuują eksplorację wpływu ciemnej materii na tkankę kosmosu. Jeśli wyniki ich badań będą podobne, to potwierdzą istnienie ciemnej materii.