Sonunda: Karanlık Maddesiz Galaksi Doğrulandı, Yeni Hubble Verileriyle Açıklandı
Bu büyük, bulanık görünümlü gökada o kadar dağınıktır ki, gökbilimciler onu şeffaf gökada olarak adlandırırlar çünkü arkasındaki uzak gökadaları açıkça görebilirler. NGC 1052-DF2 olarak kataloglanan ve karanlık madde içermediği düşünülen hayaletimsi nesne, karanlık maddenin bulunduğu bir Evrende yalnızca Segue 1 ve Segue 3 gibi galaksilerin yanında var olabilir, ancak bir galaksinin oluşum tarihi farklı şekillerde ortaya çıkabilir. (NASA, ESA, VE P. VAN DOKKUM (YALE ÜNİVERSİTESİ))
Tüm zorluklara rağmen, Hubble bu keşfi doğruladı.
Pratik olarak Evrende baktığımız her yerde, gördüğümüz büyük ölçekli nesneler - küçük galaksiler, büyük galaksiler, galaksi grupları ve kümeleri ve hatta büyük kozmik ağ - hepsi sadece karanlık madde içermez, aynı zamanda onu gerektirir. Gözlemlerimiz ancak normal maddenin çok daha fazla kütlesinin sağlayabileceği bir Evrende ve kendileriyle ve ışıkla saçılan ve etkileşen proton, nötron ve elektronlardan farklı bir biçimde açıklanabilir. Bununla birlikte, karanlık maddeye sahip bir Evrende ilginç bir sonuç ortaya çıkmalıdır: hiç karanlık madde içermeyen küçük ama önemli bir galaksi popülasyonunun varlığı.
Uzun yıllar boyunca, bu galaksiler keşfedilmeden kaldı ve ideolojik olarak karanlık maddenin varlığına karşı olanlara mühimmat sağladı. Ancak 2018'de, Pieter van Dokkum ve Shany Danieli liderliğindeki bir araştırma ekibi, ilkini keşfettiklerini iddia etti: büyük, yakındaki eliptik NGC 1052'nin dağınık bir uydu gökadası. Gökada, NGC 1052-DF2, pek çok konunun konusu oldu. inceleme ve tartışma, çünkü bu galaksinin özellikleri, Evrenin karanlık tarafının gizemlerini çözmeye yardımcı olabilir. İle birlikte Hubble'dan yeni bir gözlem seti , biz sadece galaksisinin gerçekten karanlık maddeye sahip olmadığını doğrulamakla kalmadık, aynı zamanda sonunda neler olduğunu tam olarak açıkla . İşte bilimsel hikaye.
Evrene ayrıntılı bir bakış, onun antimaddeden değil maddeden oluştuğunu, karanlık madde ve karanlık enerjinin gerekli olduğunu ve bu gizemlerin hiçbirinin kökenini bilmediğimizi ortaya çıkarır. Bununla birlikte, SPK'daki dalgalanmalar, büyük ölçekli yapı arasındaki oluşum ve korelasyonlar ve yerçekimi merceklenmesinin modern gözlemleri aynı tabloya işaret ediyor. (CHRIS BLAKE VE SAM MOORFIELD)
Teoride, evrendeki tüm formlarında normal madde olduğundan, toplam kütleye göre yaklaşık beş kat daha fazla karanlık madde vardır. Evren çok gençken, maddenin tüm formları, aşırı yoğun bölgeler giderek daha fazla maddeyi kendilerine çekerek, yerçekimi ile çökmeye çalışır. Bu arada, radyasyon bu artan aşırı yoğunluklardan dışarı akar ve artan basınçlar ve yoğunluklar, normal maddeyi karanlık maddeden farklı olarak geri iter. Evrenin bu erken evreleri, evrenimize daha sonra yıldızlara, galaksilere ve Evrenin büyük ölçekli yapısına dönüşecek olan bu yerçekimi tohumlarını sağlar.
Genel olarak, karanlık madde kozmik ağa hakimken, normal, baryonik madde çok daha küçük hacimlere çökerek yıldız oluşumunu tetikler ve yıldız sistemlerine yol açar. Yerçekimi etkileşimleri, çarpışmalar, birleşmeler ve gelgit kuvvetlerinin tümü, karanlık maddeyi normal maddeden ayırma potansiyeline sahipken, yıldız oluşumu normal maddeyi bağlı yapılardan dışarı atma eğilimindedir. Ortalama olarak, büyük yapılar, genel kozmos ile aynı 5'e 1 oranında normal maddeye göre oluşur, ancak çoğu küçük yapı, karanlık maddeyi geride bırakırken normal maddelerinin çoğunu çıkarabilir. En uç durumlarda, 600'e 1 veya daha yüksek karanlık madde-normal madde oranlarını görebiliriz.
Yerel grubun tüm gökadaları (çoğunlukla en solda kümelenmiş) dahil olmak üzere yakındaki birçok gökada, kütleleri ile hız dağılımı arasında karanlık maddenin varlığını gösteren bir ilişki gösterir. NGC 1052-DF2, yalnızca normal maddeden yapılmış gibi görünen bilinen ilk gökadadır ve daha sonra 2019'un başlarında DF4 ile birleştirilmiştir. Bununla birlikte, Segue 1 ve Segue 3 gibi gökadalar çok yüksektedir ve bunun solunda kümelenmiştir. Çizelge; bunlar bilinen en karanlık madde bakımından zengin galaksilerdir: en küçük ve en düşük kütleli olanlar. (DANIELI ve diğerleri (2019), ARXIV:1901.03711)
Karanlık madde, birçok yönden, kütleçekimsel olarak bağlı yapılarda parlak, yıldız maddesini bir arada tutan yapıştırıcı olarak işlev görür. Özellikle galaksilerin etkileşime girdiği, gaz sıyırmasının meydana geldiği ve önemli gelgit kuvvetlerinin aksi takdirde sessiz yapıları bozduğu yerlerde, karanlık madde ve normal madde birbirinden ayrılabilir. Normal madde yapıları var olmalıdır, ancak kısa bir süre için. Bu bağlı yapıları bir arada tutmak için karanlık maddenin yerçekimsel etkisi olmadan, sadece birkaç yüz milyon yıl içinde yerçekimsel olarak parçalanmaları gerekir, yalnızca çok, çok nadir bir yapı karanlık madde olmadan ilk milyar yılda hayatta kalır.
Bu nedenle, bundan böyle kısaca DF2 olarak bilinen NGC 1052-DF2'nin özelliklerinin 2018 duyurusu, öyle bir şok geldi ki . Dragonfly teleskopu olarak bilinen yeni bir araç kullanan araştırmacılar, bu küçük, uzak galaksideki yıldızların hız dağılımını ve bir dizi başka özelliği ölçebildiler. Buldukları şey büyüleyiciydi:
- bu galaksideki yıldızlar ve onun yörüngesindeki küresel kümeler sadece ~8 km/s hızla hareket ediyorlardı, normal miktarda karanlık madde ~30 km/s gibi bir değer verirdi,
- galaksinin kendisi oldukça uzaktaydı: ~64 milyon ışıkyılı uzaklıkta,
- ama içindeki yıldızlardan yaklaşık 7 milyar yıldır yıldız oluşturmadığı sonucunu çıkarabiliriz.
Hemen, bilim topluluğu gerekli görevi üstlendi: bu iddiaları olabildiğince titiz bir şekilde denemek ve incelemek ve bu heyecan verici ama tartışmalı iddiayı doğrulamak için olağanüstü kanıtlar talep etmek.
Tam Dragonfly alanı, yaklaşık 11 derece kare, NGC 1052 merkezli. Yakınlaştırma, NGC 1052'nin yakın çevresini gösterir, iç kısımda NGC1052–DF2 vurgulanmıştır. Dragonfly teleskopu, bu galaksiyi başlangıçta tanımlamak ve karakterize etmek için inanılmaz bir araçtı, ancak özelliklerini daha iyi belirlemek için takip eden gözlemlere ihtiyaç vardı. (P. VAN DOKKUM VE AL., NATURE VOLUME 555, SAYFA 629-632 (29 MART 2018))
Bu keşfi yıkmak için ilk girişim gözlemlere meydan okuma şeklinde : bu galaksinin içindeki yıldızların ve etrafındaki küresel kümelerin hızlarını anlamamıza izin veren ölçülen hız dağılımları yanlış mıydı? Eğer öyleyse, o zaman bu hızlar da yanlıştır ve belki de sonuçta karanlık madde mevcuttur. Tamamen farklı bir araç ve veri seti kullanarak, rakip bir işbirliği, DF2'ye bağlı bireysel küresel kümeleri ölçtü ve bize görüş hattı hareketlerine dayanarak, orijinal değerin iki katından fazla olan bir hız dağılımı çıkardı. Belki de gözlemler hatalıydı ve MUSE cihazıyla yapılacak bu çapraz kontrol onu açığa çıkaracaktı.
Ama olmak değildi. MUSE cihazı, ortaya çıktığı gibi, bu küresel kümelerin hız dağılımını gerekli doğrulukta gerçekten belirlemek için yeterince doğru ölçümler yapmak için gerekli spektral çözünürlüğe sahip değildi. Çok daha üstün bir cihazla ölçümleri takip edin — Keck Kozmik Web Görüntüleyici (KCWI) — KCWI verileri bu spektral çizgilerin ne kadar sivri ve dar olduğunu gösterirken, MUSE verilerinin aslında daha düşük çözünürlükleri nedeniyle yumuşatıldığını gösterdi. Hem yıldızlardan (~8.4 km/sn) hem de küresel kümelerden (~7.8 km/sn), ikincisi yaklaşık dört kat daha uzaktır (ve bu nedenle bir karanlık madde halesinin varlığına karşı daha duyarlı olmalıdır), sağlam bir şekilde Görünüşe göre bu galakside hiç karanlık madde izi yok.
Doğrudan arXiv:1901.03711 adresindeki yeni kağıttan alınan DF2 gökadasının KCWI spektrumu (siyah), MUSE kullanan rakip bir ekibin önceki sonuçları kırmızı üst üste bindirilmiş. MUSE verilerinin KCWI verilerine kıyasla daha düşük çözünürlüklü, lekeli ve yapay olarak şişirilmiş olduğunu açıkça görebilirsiniz. Sonuç, önceki araştırmacılar tarafından çıkarılan yapay olarak büyük bir hız dağılımıdır. (SHANY DANİELİ (ÖZEL İLETİŞİM))
Fakat bu gözlemler için başka bir açıklama olabilir mi? Anlaşıldığı üzere, vardı. Bu dar tepeli tayf çizgilerine sahip bir gökada, başlangıçta tahmin edilen ~64 milyon ışıkyılı uzaklıkta olsaydı karanlık maddeden yoksun olabilir, ancak karanlık maddeye sahipse ama aslında daha yakın olsaydı aynı tayfsal özellikleri sergileyebilirdi. Bu yozlaşmayı kırmanın tek yolu, yapılan herhangi bir varsayımdan bağımsız olarak, bu galaksiye olan mesafeyi tespit edecek doğru, bağımsız ölçümler yapmak olacaktır.
Danieli ve van Dokkum'dan oluşan orijinal ekip tam olarak bunu yaptığını iddia ederken, başka bir zorluk hızla ortaya çıktı , bu sefer Ignacio Trujillo ve Mireia Montes liderliğindeki bir ekipten. Çeşitli bağımsız teknikler kullanan Trujillo'nun ekibi, DF2'nin aslında 64 milyon ışıkyılı uzaklıkta ve NGC 1052'nin bir uydusu olmadığını iddia etti. daha yakın, yakındaki bir galaksinin uydusuydu, NGC 1042 , ve çok daha yakın bulundu: sadece 42 milyon ışıkyılı uzaklıkta. Her iki ekip tarafından kullanılan ve yüzey parlaklığındaki dalgalanmalara dayanan ikinci bir yöntem, analizi kimin yaptığına bağlı olarak yine farklı cevaplar verdi.
Galaksi daha yakınsa, özünde daha sönüktür ve yıldız biçiminde daha az kütle vardır. Kütlenin geri kalanı nerede? Belki de sonuçta karanlık madde biçiminde oradadır.
Bu daha geniş alan görüntüsü, gökada NGC 1052'yi (sol üst) ve yakındaki gökada NGC 1042'yi (ortada) göstermektedir. Bu iki gökada yakın görünse de, eliptik daha uzak ve sarmal daha yakın olmak üzere gerçekte yaklaşık 20 milyon ışıkyılı uzaklıktalar. DF2 ve DF4'ün uzaklıkları, karanlık madde fraksiyonlarını ortaya çıkarmada kilit faktörlerdir. (ESA/HUBBLE, NASA, DİJİTİZE SKY ANKET 2; TEŞEKKÜR: DAVIDE DE MARTIN)
Peki, kim haklıydı? Bir ekip, içeride karanlık madde olmadığını gösteren düşük hız dağılımı ile mesafeyi yüksek bir değere çivilediğini iddia etti. Başka bir ekip, aynı düşük hız dağılımı ile mesafeyi daha düşük bir değere çivilediğini iddia etti ve bu da içeride karanlık madde olduğunu gösteriyor. Bu tartışmadaki her iki taraf da yalnızca kendi veri ve yöntemlerine değil, aynı zamanda konumlarını destekleyen ikinci derece kanıtlara da işaret etti: aynı uzaklıkta ikinci bir gökada gibi görünen NGC 1052-DF4'ün (halk dilinde DF4 olarak bilinir) varlığı. daha uzaktaki NGC 1052 ile neredeyse aynı görüş hattını işgal eden hem NGC 1035 hem de NGC 1042'nin gökyüzündeki kafa karıştırıcı yakınlığına karşı karanlık madde yok.
Bu türden bir anlaşmazlık olduğunda, en iyi çözüm kimin verilerinin daha güvenilir olduğu konusunda tartışmaya girmek değil, daha çok üstün ölçümler almak net bir cevap verir.
Bunun gibi bir nesneye olan mesafeyi saptamak için en iyi seçenek, mesafeleri doğrudan Hubble Uzay Teleskobu ile ölçmektir. Hız dağılımları yapmak için iyi bir ölçüm olsa da, bireysel, evrimleşmiş, parlak yıldızların özelliklerini ölçmek daha iyidir. Spesifik olarak, kırmızı dev dalın ucundaki yıldızlar, mesafeleri çok özel olarak belirlememizi sağlar ve bu, gözlemevlerimiz arasında benzersiz olan Hubble'ın yapabileceği türden bir ölçümdür.
Hubble Uzay Teleskobu tarafından görüntülenen 'DF2' galaksisi. Bu ultra dağınık gökada, galaksideki kırmızı dev dal yıldızlarının ucunu ve halesini belirleyerek mesafesini zarif ve hassas bir şekilde ölçtü ve sadece 4 milyon ışıkyılı belirsizlikle 72 milyon ışıkyılı bir mesafeyi çıkarmamızı sağladı. ona. (SHEN vd., APJL KABUL EDİLDİ, ARXIV:2104.03319)
İşte bu kadar heyecan verici olan şey Hubble ve van Dokkum ekibinden en son sürüm , şu anda van Dokkum ve Danieli ile birlikte Zili Shen'i de içeriyor. DF2 olarak bilinen ultra-yaygın gökadanın bir mesafeye sahip olduğu ölçüldü, kırmızı dev dal analizinin bu ucu kullanılarak, uzaklığı şaşırtıcı derecede yüksek bir 72 milyon ışıkyılı değerinde, bir belirsizlikle sabitlenmiş, 40 Hubble yörüngesi ile ölçüldü. bu değerde sadece ±4 milyon ışıkyılı. Bu kesin ölçüm, bu galaksiyi çevreleyen sorunlardan en az birini çözmelidir: gerçekten oldukça uzaktır, bu galaksiyi bir arada tutmak için çok az karanlık madde ve hatta muhtemelen hiç karanlık madde bulunmadığını ima eder. Pieter van Dokkum'a göre ,
2018'de bu galaksiyle ilgili ilk Hubble gözlemlerimizle riske girdik. Bence insanlar bunu sorgulamakta haklıydı çünkü bu çok sıra dışı bir sonuç. Yanlış bir mesafe gibi basit bir açıklaması olsaydı iyi olurdu. Ama bence gerçekten tuhaf bir galaksiyse daha eğlenceli ve daha ilginç.
Bu, o galaksi için 65 milyon ışıkyılı (±5 milyon ışıkyılı) mesafeyi belirlemek için kırmızı dev dalın ucunu kullanan DF4'ün önceki Hubble gözlemleriyle uyumludur. Artık her iki gökadaya olan uzaklık, bu gökada içindeki yıldızların ve küresel kümelerin iç hareketlerinin ölçümleriyle birlikte kesin olarak belirlendiğine göre, nihai zorluk devam ediyor: bu gökadanın neden ve nasıl var olduğunu açıklamak.
Solda, birkaç yıldız ve galaksiden gelen ışık ham veri olarak gösterilmektedir. Çevresindeki ışık kaynakları modellenip kaldırıldığında, galaksi NGC 1052-DF4 merkezde (sağda) kalır ve gelgit bozulmasının kanıtlarını açıkça ortaya koyar. (M. MONTES ET AL., 2020, APJ'DE YAYINLANMAKTADIR)
Belki şaşırtıcı bir şekilde, başka bir veri parçasını katlarsak zorlayıcı bir açıklama ortaya çıkar. Trujillo'nun rakip takımından Mireia Montes tarafından alındı : DF4'ün şu anda gelgit bozulması geçirdiğinin keşfi. Bu küçük, dağınık gökadalar bir (veya daha fazla) diğer büyük gökadaya nispeten yakınsa, DF2 ve DF4 gibi gökadalar dışarıdan içeriye doğru kırılabilir.
İlk olarak, gökadanın dış kısımları kütleçekimsel olarak bozulacak ve galaktik halenin en zayıf tutulan bileşenlerini dışarı çıkaracak: dış, karanlık maddenin egemen olduğu bölgeler. Galaksi kütlesini kaybettikçe, yıldızlar daha yavaş ve daha az sıkı yörüngelerde hareket ettikçe daha dağınık hale gelir.
DF4'ün yıldızlarında küçük bir gelgit akıntısının görülmesi, bu gökadaların şu anda yalnızca karanlık maddeden arınmış olduğuna dair bir ipucu olabilir; Kısa bir süre önce, çok daha fazla karanlık maddeye sahiptiler, ancak bir süre sonra tamamen parçalanacaklar. Bugün oldukları gibi varlar, çünkü onları sadece zamanın enstantanesinde görüyoruz ve o anda sadece parlak maddeyi görebiliyoruz. Her ne kadar son gözlemler DF2 veya DF4'ün gelgit bozulması için hiçbir kanıt göstermez , bu açıklama göz ardı edilemez.
Yakınlarda ultra dağınık DF2 ve DF4 ile NGC 1052 ve NGC 1035 gökadaları. Bu ultra dağınık gökadaların her ikisi de daha büyük gökadaların çok küçük bir yarıçapındaysa, MOND'un bu dönme özelliklerini doğru bir şekilde tahmin etmesi mümkündür. Aksi takdirde, dış alan etkisi hiçbir rol oynayamaz ve gözlemler MOND'un aleyhine olacaktır. (SHEN vd., APJL KABUL EDİLDİ, ARXIV:2104.03319)
Hiç karanlık maddesi olmayan bir galaksinin böyle bir ortamda ~7 milyar yıl boyunca varlığını sürdürmesi imkansız olmalı, ancak karanlık maddeye sahip gibi görünmeyen sadece bir değil iki ultra-diffuse cüce galaksinin varlığı kesinlikle kesindir. van Dokkum'un dediği gibi ilginç. Ya bu galaksiler bol miktarda karanlık maddeye sahipti ve onu kaybettiler/kaybetme sürecindeler, kararlı bir durumdan ziyade geçici bir durumdalar ya da -belki de en tuhafı- başka bir şey oluyor.
Bu başka bir şey, karanlık madde olmadığı ve bunun yerine yerçekimi kurallarının değiştirilmesi gerektiği fikrini içeriyor. Bir fikri dış alan etkisi Bu ultra-yaygın gökadaların, yakın, çok daha büyük, çok daha büyük kütleli bir gökadadan etkileniyorlarsa, gözlemlenen özelliklerine sahip olabileceklerini öne sürüyorlar.
DF2 ve DF4'ün yaklaşık ~7 milyon ışıkyılı uzaklıkta olduğu çok iyi ölçülmüştür, bu nedenle bunlardan biri NGC 1052'ye çok yakın olabilirken, ikisi aynı anda olamaz. Ancak, yakınlarda yeterince büyük bir gökada vardır, NGC 1035, eğer NGC 1052 DF2'ye yakınsa DF4'e yakın olabilir. NGC 1035'in mesafesinin kesin bir ölçümü, ya değiştirilmiş yerçekiminden kaynaklanan dış alan etkisine destek sağlayabilir ya da alternatif olarak, değiştirilmiş yerçekiminin yetersizliğini ve karanlık maddenin gerekliliğini gösterebilir. Her zaman olduğu gibi, sadece zaman ve gelecekteki gözlemler söyleyecektir.
Yunus takımyıldızı yönünde bulunan Zw II 96'da bulunan etkileşimli gökadalar, gelgit etkileşimlerinin ciddi bir örneğini göstermektedir. Bu, yaklaşık 500 milyon ışıkyılı uzaklıkta bulunan ve yıldız oluşum dalgalarını tetikleyen bir gökada birleşmesine bir örnektir, ancak burada görülemeyecek kadar sönük olan daha küçük gökadaların da bozulması gerekir. Dış karanlık madde halelerinden sıyrılmış, yalnızca kısa bir süreliğine kalan normal maddenin merkezi çekirdeği olan galaksiler olabilir. (NASA, ESA, HUBBLE MİRAS EKİBİ (STSCI/AURA)-ESA/HUBBLE İŞBİRLİĞİ VE A. EVANS (VIRGINIA ÜNİVERSİTESİ, CHARLOTTESVILLE/NRAO/STONY BROOK ÜNİVERSİTESİ))
Ancak elimizdeki en iyi verilere dayanarak, bir dizi inanılmaz sonuca varabiliriz. İlk olarak, NGC 1052'nin hakim olduğu devasa bir grubun uydu üyeleri gibi görünen iki ultra dağınık gökada vardır: DF2 ve DF4. Hubble gözlemleriyle kesin olarak belirlendiği gibi, sırasıyla 72 ve 65 milyon ışıkyılı uzaklıktalar. İç içeriklerinin yavaş hareketlerini gösteren çok güçlü ve dar spektral özelliklere sahiptirler: hiç karanlık maddeye sahip olmamaları ile tutarlıdır. Bu galaksiler, Evrenin yaklaşık olarak son %50'sinde yeni yıldızlar oluşturmadı ve gelgit etkileşimleri tarafından parçalanma sürecinde olabilirler.
Ancak, hala onları çevreleyen birçok soru var. Büyük, devasa galaksilerin yakınındalar mı yoksa aralarında mı? Gelgitlerle bozulma sürecindeler mi, yoksa bir süredir bu konfigürasyondalar mı? Birkaç yüz milyon yıl sonra geri dönersek, bu galaksiler varlığını sürdürecek mi yoksa galaktik etkileşimler onları yok edecek mi? Gerçekten karanlık maddeden yoksun gibi görünen iki galaksinin keşfiyle, Evreni astronomik anlayışımızda sonraki adımlara açılan pencereyi araladık. Yeni nesil teleskoplar Evren üzerinde yeni bir dizi göz açarken, belki de sonunda bu uzun süredir devam eden kozmik bilmeceye bir çözüme işaret eden karanlık maddeden yoksun galaksiler olacak.
Bir Patlamayla Başlar tarafından yazılmıştır Ethan Siegel , Ph.D., yazarı Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .
Paylaş: