Teleskop Hubble pokazuje niemal niewidzialną galaktykę zdominowaną przez ciemną materię

Astrofizycy natrafili na galaktykę tak słabą, że praktycznie znika na zdjęciach, a mimo to wydaje się niezwykle masywna.

Jej masa nie wynika z liczby gwiazd, bo tych jest zaskakująco mało. Naukowcy podejrzewają, że niemal całe „ciężkie” wnętrze tego obiektu tworzy ciemna materia, która nie świeci i wymyka się bezpośrednim pomiarom.

Galaktyka, której prawie nie widać, a mimo to ciąży jak gigant

Nowa analiza danych z teleskopu Hubble oraz naziemnych obserwatoriów wskazuje na szczególnie zagadkową galaktykę typu ultra-dyfuzyjnego. To obiekt o rozmiarach porównywalnych z Drogą Mleczną, ale z ułamkiem jej jasności. Na pierwszy rzut oka wygląda jak rozmyta plama, jakby ktoś niedbale rozciągnął zwykłą galaktykę po niebie.

Ruch gwiazd i innych składników pokazuje jednak, że w środku kryje się silne pole grawitacyjne. Coś ją „trzyma” i spaja, choć niemal nie świeci. To właśnie sygnał, że lwia część masy kryje się w postaci ciemnej materii, niewidocznej dla naszych teleskopów.

Ciemna materia nie emituje światła, nie świeci, nie pochłania go w typowy sposób – zdradza ją jedynie grawitacja, którą wywiera na gwiazdy, gaz i inne galaktyki.

Czym właściwie jest ciemna materia

Astronomowie od dziesięcioleci widzą, że coś się nie zgadza w rachunkach. Galaktyki obracają się zbyt szybko, żeby utrzymać się w całości wyłącznie dzięki ciężarowi widocznych gwiazd i gazu. Amasy galaktyk przyciągają się zbyt mocno, jak na to, co da się bezpośrednio policzyć ze zdjęć.

Z pomiarów wynika, że w dużych skalach kosmosu mniej więcej 80 procent całej materii nie świeci i nie składa się z protonów czy neutronów. Tworzy ją zupełnie inny typ cząstek. Astrofizycy zakładają, że tworzą one rodzaj zimnego gazu o niewielkich prędkościach, który pod wpływem grawitacji zbija się w wielkie skupiska. To one stanowią szkielet, na którym później rosną galaktyki i ich gromady.

• materia zwykła: gwiazdy, planety, gaz międzygwiazdowy
• ciemna materia: niewidoczne cząstki wywołujące jedynie efekt grawitacyjny
• udział ciemnej materii: około 4 razy więcej masy niż wszystkiego, co świeci

Ultra-dyfuzyjne galaktyki – wielkie, a prawie puste

Od kilku lat astronomowie opisują klasę obiektów nazywanych galaktykami ultra-dyfuzyjnymi (UDG). Są rozciągnięte i duże, mają rozmiary porównywalne z typowymi galaktykami spiralnymi, lecz zawierają zaskakująco mało gwiazd. W efekcie świecą bardzo słabo, jakby były już niemal „wypalone”.

Niektóre z nich wydają się wręcz przesycone ciemną materią. Inne, ku zdziwieniu naukowców, przypominają normalne galaktyki, tylko sztucznie „napompowane” i rozmyte. Te różnice sprawiają, że UDG stały się gorącym tematem, bo mogą zarówno wzmacniać klasyczny scenariusz z ciemną materią, jak i go testować.

Im lepiej naukowcy poznają UDG, tym precyzyjniej mogą sprawdzać, czy współczesny model kosmosu z dominującą ciemną materią rzeczywiście działa w detalach.

Jak powstaje galaktyka, w której prawie nic nie świeci

Zastanawiając się nad historią takich obiektów, astrofizycy rozważają kilka scenariuszy. Jeden z nich zakłada, że UDG zaczyna życie jako niewielka, dość typowa galaktyka karłowata. Wchodzi jednak zbyt blisko dużego skupiska innych galaktyk zanurzonego w gorącym, gęstym gazie.

To środowisko wywiera na mniejszą galaktykę silny nacisk. Strumienie gazu i oddziaływania grawitacyjne wyrywają jej materiał potrzebny do rodzenia nowych gwiazd. Do głosu dochodzą też tzw. siły pływowe – gigantyczne różnice grawitacji między jedną a drugą stroną obiektu, które potrafią wyssać z niego część zawartości.

W efekcie dawna galaktyka karłowata traci większość gazu, część gwiazd, a zostaje w niej głównie „niewidzialny szkielet” z ciemnej materii oraz niewielka populacja starych gwiazd. Jej jasność spada, wielkość wzrasta, a tempo narodzin nowych gwiazd staje się mizerne.

Prawie niewidzialna galaktyka zdradzona przez gromady kuliste

Opisywana w nowych analizach galaktyka należy właśnie do tej grupy obiektów. Nie przyciąga uwagi swoim blaskiem. Analitycy danych z Hubble’a musieli się dobrze napracować, by w ogóle wiarygodnie oddzielić jej słabe światło od tła pełnego innych galaktyk.

Pomogła im pewna charakterystyczna cecha: obecność gęstych skupisk starych gwiazd, czyli gromad kulistych. Takie gromady krążą zwykle w rozległych halo galaktyk i są znacznie łatwiejsze do wychwycenia niż rozmyta poświata całej galaktyki.

Licząc liczbę gromad kulistych oraz analizując ich rozmieszczenie, badacze potrafią zaskakująco dobrze oszacować całkowitą masę galaktyki. W tym przypadku wyszło, że widocznych gwiazd jest zdecydowanie za mało, by uzasadnić tak silne pole grawitacyjne. To mocny argument, że dominuje tam ciemna materia.

Dlaczego ta galaktyka jest tak ważna dla kosmologii

Symulacje komputerowe dużych obszarów kosmosu wskazują, że wokół dużych galaktyk powinny krążyć całe roje małych obiektów zatopionych w ciemnej materii. W obserwacjach nie tak łatwo je wszystkie wychwycić, co od lat prowokuje pytania, czy klasyczny model kosmologiczny naprawdę działa bez poprawek.

Ultra-dyfuzyjne galaktyki mogą częściowo wyjaśniać ten brak. Mogą być „zaginionymi” galaktykami satelitarnymi, które zmieniły wygląd i przygasły przez burzliwe interakcje z otoczeniem. Ta konkretna galaktyka, niemal całkowicie zdominowana przez ciemną materię, dostarcza kolejnego fragmentu układanki.

Jeżeli podobnych obiektów jest więcej, nasz obraz tego, jak ciemna materia organizuje większe struktury kosmiczne, staje się spójniejszy z symulacjami superkomputerów.

Jak w praktyce bada się coś, czego nie widać

Badanie ciemnej materii przypomina śledztwo, w którym nigdy nie zobaczymy sprawcy, a jedynie skutki jego działań. Naukowcy korzystają z kilku narzędzi naraz: precyzyjnych zdjęć, pomiarów prędkości gwiazd, detekcji gromad kulistych, a także z analizy kształtów odległych galaktyk zniekształcanych przez soczewkowanie grawitacyjne.

Każdy z tych elementów daje wskazówki, gdzie ciemna materia się gromadzi i jak jest rozmieszczona. W przypadku galaktyk ultra-dyfuzyjnych ważne stają się instrumenty o bardzo dużej czułości, bo gra toczy się o ułamki jasności tego, co zwykle widzimy na nocnym niebie w teleskopie amatorskim.

Dla osób niezajmujących się zawodowo kosmologią ciemna materia może brzmieć abstrakcyjnie, ale ma bardzo konkretny wpływ na to, jak wygląda niebo. Bez niej gwiazdy w wielu galaktykach nie utrzymałyby się w tak zwartych strukturach, a ogromne gromady galaktyk nie powstałyby w takim tempie po Wielkim Wybuchu. Można powiedzieć, że to właśnie ciemna materia ustawiła scenę, na której później pojawiły się gwiazdy, planety i my sami.

Warto też pamiętać, że ciemna materia to nie jedyny kandydat na „brakującą masę”. Istnieją alternatywne pomysły modyfikujące samą teorię grawitacji. Takie podejścia próbują wytłumaczyć zachowanie galaktyk bez dodawania nowych cząstek. Każda nowa galaktyka zdominowana przez niewidzialną masę staje się więc ważnym testem: czy ten tajemniczy składnik rzeczywiście istnieje w postaci cząstek, czy raczej nasze równania grawitacji wymagają głębokiej korekty.