Защо на две призрачни галактики липсва тъмна материя?

Две галактики без тъмна материя хвърлят светлина върху призрачни галактики, които обикновено са богати на тъмна материя.

Призраци са навсякъде призрачни галактики, т.е. Някои са с големина на Млечния път или дори по-големи, но въпреки това имат толкова малко звезди, че те са изключително слаби, на практика проникващи и трудно разпознаваеми. Ние знаехме, че такива галактики съществуват от десетилетия, но едва наскоро имат нови техники за наблюдение, показани колко често се срещат.

Повечето от тези така наречени ултрадифузни галактики трябва да бъдат необичайно богати на тъмна материя, това би осигурило гравитационното дърпане, за да не се разпадат редките звезди. Но сега астрономите са открили не само една, а две такива галактики, на които изглежда, че изобщо липсва тъмна материя. Новото откритие усложнява картината как са възникнали тези галактики.

Галактика без тъмна материя

Миналата година Питер ван Докум (Йейлския университет) и колегите му откриха първата галактика без тъмна материя в покрайнините на елиптичния NGC 1052, наречен NGC 1052-DF2. Наблюдавайки 10 кълбовидни клъстера, които се увиват около краищата на галактиката, астрономите определят общата маса на DF2 s. Оказва се, общата маса е мъничка и приблизително еквивалентна на нейната маса в звезди. Обикновено общата маса на галактика надвишава звездите си с коефициент 100 или повече, което намеква за наличието на тъмна материя. Но в тази галактика изглежда няма никаква скрита материя, а просто звезди.

(По причини, които астрономите все още не разбират, самите кълбовидни клъстери също са странни. Всички те са необичайно светещи, приблизително толкова ярки, колкото Омега Кентавър, най-ярката кълбовидна клъстера в Млечния път.)

Мътливото петно ​​в центъра на това изображение на Хъбъл е необичайната ултрадифузна галактика NGC 1052 DF2, галактика, която липсва най-много, ако не всички от тъмната си материя.
НАСА / ЕКА / П. ван Докум (университет в Йейл)

Може би не е изненада, че необикновената претенция на отбора веднага беше заобиколена от противоречия. Някои астрономи твърдят, че 10 кълбовидни клъстера не са достатъчни, за да дадат надеждна оценка на масата. Други твърдят, че разстоянието до NGC 1052-DF2 само по себе си е несигурно, което поставя всички опити за разбирането му в безпорядък.

За да охарактеризира DF2, ван Dokkum и колегите му използваха Dragonfly Telephoto Array, който изобразява всяка цел едновременно чрез множество 400-милиметрови обективи на Canon, подобно на това как работи окото на стрекоза. Уникалната настройка позволява на астрономите да уловят изключително слаби „размити“, като големи галактики, бедни на звезди. Преди откриването на DF2, групата беше характеризирала десетки от тези призрачни галактики в претъпкания коматен куп, включително любопитен случай на Dragonfly 44, млечна галактика с млечен път със 100 пъти по-малко звезди от нашата галактика. Изглежда, че е направена от 99, 99% тъмна материя.

Ван Докум и колегите му бяха предположили, че докато галактики като Стрекоза 44 прелитат през затруднената клъстерна среда, гравитационните взаимодействия премахват звездите или звездата, образуващи материал. Тези ултра-дифузни обекти са по същество „провалени галактики“.

Откриването на DF2 обаче изглежда върти този аргумент на главата му - нещо е отнело тази галактика от тъмната й материя или може би никога не е имало начало.

„Едно е изключение, две е население“

Сега екипът на Ван Докум откри нова галактика без тъмна материя: NGC 1052-DF4. След като намери DF4 в изображения на Dragonfly, екипът проследява космическия телескоп на Хъбъл и спектроскопията през телескопа Keck I на Mauna Kea, Хавай.

Анкета, направена с телефото масива Dragonfly, показва обекти в полето на елиптичната галактика NGC 1052 (в центъра). Сред тези обекти са DF2 (долу вляво) и DF4 (горе вдясно); и двете са галактики с дефицит на тъмна материя, които са сходни по размер, светимост, морфология, популация на кълбовидните клъстери и дисперсия на скоростта.
P. van Dokkum (Йейлски университет) / STScI / ACS

DF4 е doppelgänger на DF2: Той е приблизително същия размер, светимост и той също има колекция от необичайно ярки кълбовидни клъстери. Също като DF2, изглежда, че DF4 има обща маса, еквивалентна на звездната му маса, като отново отрича нуждата от тъмна материя.

„Това, което хартията не може да предаде, е колко невероятно се изненадахме!“, Написа Ван Докум в Twitter, малко след излизането на вестника за предпечатната версия на arXiv за астрономията. Изследването се появява в астрофизичните списания от 20 март.

Откриването на втора галактика без тъмна материя дава доверие на първата находка и то не само защото две са по-големи от една. В случай на партньорска проверка върви зрелищно правилно, Ван Докум и колегите последваха предложението на анонимен съдия да измери масата на DF4 втори път, чрез измерване на скоростта на звездите в самата галактика. Нито Стрекоза, Хъбъл, нито Кек не могат да разрешат слабите, далечни звезди в точки; Вместо това астрономите използвали Кек, за да вдигнат дифузната светлина на звездите, подобно на звездоносците под тъмно небе могат да видят слабото, млечно сияние на милиарди звезди в нашата галактика.

Чрез измерване на скоростите на дифузната звездна светлина астрономите потвърждавали масата, която са изчислили преди. Екипът, този път воден от Шани Даниели (Йейл), също се върна назад и измери дифузната светлина от DF2, потвърждавайки и ниската си маса. Актуализираните резултати за DF2 са публикувани в писма от астрофизичен журнал от 1 април (предпечат на разположение тук.)

„Мисля, че наистина има нещо в твърденията за дисперсия с ниска скорост (и следователно с ниска маса)“, казва Мишел Колинс (Университета в Съри, Обединеното кралство), която не е участвала в проучването. Тя беше изразила съмнения относно DF2, когато беше открита за първи път, но отбелязва: „Със сигурност не се притеснявам повече за статистиката.“

Въпреки това предстои още работа. Много косвени доказателства предполагат, че DF2 и DF4 принадлежат към групата галактики около NGC 1052, но не всички са убедени.

„Нерешеният проблем“, продължава Колинс, е разстоянието до DF2 и DF4. Ако бяха наистина по-близо, галактиките щяха да изглеждат по-типични и биха имали типично количество тъмна материя. Без повече данни тази оценка на разстоянието остава силно несигурна, така че, честно казано, не съм сигурен какво да направя. ”Наблюденията на Хъбъл, които се появяват през юли или август, трябва да решат въпроса за разстоянието веднъж завинаги.

Галактики с тъмни материи

Така че защо NGC 1052-DF2 и DF4 изглеждат толкова различно от повечето ултрадифузни галактики, които се виждат наблизо в Кома клъстер? Сред хилядите подобни галактики, дебнещи там, повечето са богати на тъмна материя, като до 98% от масата им е „тъмна“.

„Може би просто подчертаваме крайните краища на дистрибуцията“, казва Колинс. „Междувременно подозирам, че ще има редица ултрадифузни галактики, които също имат приблизително типични количества тъмна материя.“

Кома клъстер
Адам Блок / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona

DF2 и DF4 имат една обща характеристика с богатите на тъмна материя Кома клъстерни галактики: преобладаване на кълбовидни клъстери. През 2017 г. ван Dokkum и колеги откриха, че повече от половината от ултрадифузни галактики в Кома имат повече кълбовидни клъстери от очакваното. Тези древни звездни градове са родени преди милиарди години и вероятно имат улики относно зараждането и еволюцията на галактиките - все пак не е ясно как са свързани галактиките и техните кълбовидни клъстери.

За да се опитат да осмислят ултрадифузни галактики като цяло, Павел Манчера Пинья (ASTRON и Университета на Гронинген, Холандия) и колегите наскоро предприеха голямо проучване на осем галактически клъстера, като откриха 442 галактики, които отговарят на квалификацията да бъдат и двете големи и много припаднал. Групата открила, че повече от тези галактики са склонни да бъдат „червени и мъртви“, когато са по-близо до центровете на клъстери, което предполага, че клъстерната среда е откъснала материала, необходим за създаване на нови (и сини) звезди.

Изследването, публикувано в майския брой на „ Месечни известия на Кралското астрономическо общество“, предполага, че ултрадифузни галактики са по същество големи джуджета: Те имат нормални количества звезди за джуджета галактики, просто са необичайно големи. Това обяснение противоречи на теорията за „неуспешната галактика“, която Вак Докум и други подкрепиха.

„Определението за ултрадифузни галактики е много широко“, отбелязва Колинс. „Предвид огромния набор от свойства, разрешени от настоящото определение, мисля, че вероятно има повече от един тип галактика, уловена в това определение.“

Но галактическите призраци не са се отказали: Тъй като групата на Пиня продължава поредица от проучвания върху ултрадифузното население като цяло, екипът на Dragonfly все още търси тъмните вещества, които не са толкова тъмни.