Ligesom krusninger i en dam indikerer, at nogen kastede en sten, løb en vandmåler eller sprang en frø, bestemmes eksistensen af et mystisk stof - mørkt stof - af dens enorme indflydelse på rummet. Astronomer kan ikke observere det direkte, men tyngdekraften af mørkt stof bestemmer fødsel, form og bevægelse af galakser. Dette gør sidste års opdagelse helt uventet: I en mærkelig, diffus galakse blev der overhovedet ikke fundet noget mørkt stof. Tror du det er alt? Ligegyldigt hvordan det er.
Galakser uden mørkt stof
Flere lærde hilste denne opdagelse velkommen. Andre har givet udtryk for deres tvivl ved at kritisere måling af galaksens afstande og bevægelse. Indsatserne er høje: hvis der virkelig er en mangel på mørk stof i denne galakse, vil det paradoksalt bekræfte eksistensen af denne sag.
Og så har det originale team erhvervet yderligere bevis til støtte for dets oprindelige opdagelse. Derudover er der opdaget en anden galakse med lignende symptomer. Hvor der tidligere var en ultradiffus galakse fri for mørkt stof (ved første øjekast), er der nu to.
"Ét objekt kan altid afskrives som en enhjørning, men så snart du finder to enhjørninger, begynder du at undre dig over den mulige eksistens af enhjørninger," siger Michael Boylan-Kolchin, en astronom ved University of Texas i Austin, som ikke var involveret i studiet. "Og så begynder du at tænke over, hvor de kom fra, hvad deres egenskaber er, og hvor almindelige de er."
Finde enhjørninger
Salgsfremmende video:
De to galakser af interesse for os er meget svage og langt fra Jorden: Fotoner fra deres stjerne klynger begyndte at rejse mod vores planet i de sidste dage af dinosaurernes regeringsperiode, for cirka 65 millioner år siden. Den første galakse NGC 1052-DF2 er størrelsen på Mælkevejen, men indeholder 100 gange færre stjerner. Den nye galakse NGC 1052-DF4 er placeret i den samme himmelregion og er omtrent den samme i størrelse og masse.
I marts sidste år offentliggjorde videnskabsfolk ledet af Shani Danieli og Peter van Dokkum fra Yale University en undersøgelse, der estimerede størrelsen på NGC 1052-DF2 ved at observere dets stjernelys såvel som bevægelserne i stjerneklyngerne, der omgiver det. Hvis NGC 1052-DF2 indeholdt så meget mørkt stof, som astronomer normalt ville forvente af det, ville mørkt stof øge orbitalhastigheden for disse stjernefænomener. Men de bevæger sig langsomt, hvilket antyder, at der ikke er noget mørkt stof. Kritikere hævder, at hastighederne i disse stjerne klynger blev beregnet forkert - og selv hvis de var korrekte, var prøvestørrelsen på bare 10 stjerne klynger for beskeden til pålideligt at bestemme NGC 1052-DF2's mørke stofbestand.
I oktober besluttede Danieli at tackle dette problem ved hjælp af en anden teknik. Hun tog Keck Cosmic Web Imager, et nyt instrument, der for nylig blev installeret bag det gigantiske 10 meter store spejl på Keck-teleskopet på Hawaii. Dette instrument kan måle lys fra meget svage genstande med ekstrem høj opløsning, hvilket gør det ideelt til at studere ultradiffuse galakser som NGC 1052-DF2. Dette værktøj var så godt, at Danieli ikke længere var nødt til at studere bevægelserne i stjerneklyngen for at bestemme galaksenes masse. I stedet kunne hun få masse direkte, direkte ved hjælp af stjernelyset i galaksen.
Med hensyn til information indeholder starlight meget af det. Ved at adskille lys i dets bestanddele farver (dette kaldes spektroskopi) kan forskere bestemme sammensætningen af en stjerne, dens alder, retning i rummet og hastighed. Det meste af denne information transmitteres i form af spektrale linier - lineære elementer indlejret i spektret af en stjerne på grund af emission eller absorption af forskellige kemiske elementer. Kecks instrument målte spektret på cirka 10 millioner stjerner i DF2-galaksen. Størrelsen på spredningen mellem de hurtigste og langsomste stjerner i galaksen giver en idé om, hvor meget stof interagerer med dem. Jo mere stof - mørk eller anden slags - jo større er spredningen i stjernernes hastigheder.
”Til vores egen overraskelse målte vi ekstremt smalle spektrallinjer, der efterlader meget lidt plads til mere masse end den masse, som stjerner indbragte i galaksen,” siger Danieli. Der er ganske enkelt ikke noget sted for mørk stof.
I mellemtiden har Erik Emselem fra det europæiske sydlige observatorium og hans kolleger udforsket galaksen med det meget store teleskop i Chiles Atacama-ørken. De opdagede også lavhastighedsdispersion, der understøtter det manglende scenario med mørkt stof.
Nicholas Martin, en astronom ved University of Strasbourg i Frankrig, var en af kritikerne af den originale artikel. I et opfølgende papir, der blev offentliggjort sidste år, argumenterede han for, at det er for svært at estimere massen af DF2-galaksen baseret på bevægelserne i den omgivende stjerne klynge. Men Martin siger, at han er blevet beroliget af de seneste resultater fra Danieli og Emsell.
”Dette er blevet muligt takket være nye instrumenter, der er ankommet til de største teleskoper på planeten. Og for at være ærlig, for et år siden var det ikke indlysende for mig, at dette ville være muligt. For et år siden var jeg ikke klar til at sige, at dette system ville være helt nødvendigvis mærkeligt, fordi det syntes for mig, at målinger ikke var fuldt understøttet af dataene. Men nu, hvor der er to forskellige hold, der har målt hastighedsområdet for stjernene selv, synes jeg det er blevet åbenlyst, at der er en underhed."
Danielis fund blev præsenteret på en konference om mørk sag på Princeton University og vil blive offentliggjort i Astrophysical Journal Letters.
Generelt antyder hendes forskning, at der er en hel klasse af sådanne mørke stoffattige galakser.
På jagt efter den manglende sag
Nogle astronomer klæber deres hjerner over, hvordan sådanne galakser kunne dannes, og hvor den mørke materie gik. Boylan-Kolchin siger, at en mulighed er tyngdekraften i en nærliggende, meget større galakse, adskilt fra mørkt stof. Eller DF2 og DF4 er måske slet ikke galakser, men beskedne samlinger af stjerner, der er forklædt som galakser; i dette tilfælde kunne disse isolerede grupper af stjerner dannes fra kolliderende jetstråler, der undslipper andre steder. Eller der kan være endnu mere kedelige scenarier, for eksempel orienteringen af galakser i forhold til Jorden, hvilket påvirker negativt opnåelse af nøjagtige spektrale målinger af deres bevægelser.
En ting er klar med sikkerhed: hvis der ikke opstår nogen tung tvivl, vil fraværet af mørkt stof i galakser overbevisende vise, at denne sag kan adskilles fra stjerner, gas, støv og anden almindelig sag. Og det vil på sin side styrke argumentet for eksistensen af mørk stof.
Indtil videre har ingen bestemt opdaget mørkt stof på trods af årtiers intens forskning. Manglen på bevis har fået nogle astrofysikere til at se efter alternative måder til at skulptur galakser og kontrollere deres bevægelse gennem fremkomsten af hypoteser som "emergent gravity" og "modificeret Newtonian dynamik." Tilhængere af disse hypoteser hævder, at de fleste astronomer mener, at mørk stof kan være et fænomen, der opstår fra fysik, som vi ikke fuldt ud forstår. Men i dette tilfælde taler disse mærkelige galakser til fordel for, at alternativerne er forkerte, og at mørk stof faktisk kan være årsagen.
Ilya Khel