Pod koniec lat siedemdziesiątych XX wieku astronomowie Vera Rubin oraz Albert Bosma niezależnie odkryli, że galaktyki spiralne rotują z niemal stałą prędkością: prędkość gwiazd i gazu wewnątrz galaktyki nie maleje z odległością od środka tak jak oczekiwalibyśmy tego zgodnie z prawami Newtona i rozkładem widzialnej materii, lecz pozostaje stała. Takie 'płaskie krzywe rotacji’ zazwyczaj tłumaczone są niewidzialną ciemną materią otaczającą galaktyki i odpowiadającą za dodatkowe przyciąganie grawitacyjne.
Teraz zespół naukowców z Case Western Reserve University odkrył istotną, nową zależność w galaktykach spiralnych i nieregularnych: przyspieszenie obserwowane w krzywych rotacji skorelowane jest z zgadza się z przyspieszeniem grawitacyjnym pochodzącym od samej materii barionowej.
„Jeżeli zmierzymy rozkład promieniowania gwiazd, poznany krzywą rotacji, i vice versa,” mówi Stacy McGaugh, dyrektor Wydziału Astronomii na Case Western Reserve University oraz autorka badań.
Odkrycie to dało się potwierdzić na grupie 153 galaktyk spiralnych i nieregularnych, zarówno karłowatych, olbrzymich, tych z masywnymi zgrubieniami centralnymi i tych bez zgrubień. Co więcej, takie same wyniki uzyskano w przypadku galaktyk składających się głównie z gazu, jak i tych składających się głównie z gwiazd.
W artykule zaakceptowanym do publikacji w periodyku Physical Review Letters i opublikowanym na portalu pre-printów naukowych arXiv, McGaugh wraz z Federico Lelli i Jamesem M. Schombertem z University of Oregon dowodzi, że odkryta przez nich zależność może być uważana za nowe prawo natury.
Astrofizyk, który nadzorował badania twierdzi, że opisywane w artykule odkrycie może umożliwić nam zrozumienie wewnętrznej dynamiki galaktyk.
„Krzywe rotacji galaktyk tradycyjnie tłumaczono tym, że galaktyki otoczone są dużą ilością ciemnej materii,” mówi David Merritt, profesor fizyki i astronomii z Rochester Institute of Technology, który nie brał udziału w tych badaniach. „Zależność odkryta przez McGaugh et al. to poważny, a być może śmiertelny, cios dla tej hipotezy, ponieważ wskazuje ona, że krzywe rotacji precyzyjnie zależą od rozkładu samej materii barionowej. Nic w standardowym modelu kosmologicznym tego nie przewiduje i nie potrafię sobie za bardzo wyobrazić jak model ten można zmodyfikować, aby pasował do tych wyników, bez jednoczesnego odrzucenia całej hipotezy mówiącej o ciemnej materii.”
McGaugh oraz Schombert pracowali nad swoimi badaniami od dziesięciu lat, a Lelli dołączył do nich trzy lata temu. Zdjęcia wykonane w bliskiej podczerwieni za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzer w ciągu ostatnich 5 lat pozwoliły im na określenie zależności i sprawdzenie jej na wszystkich 153 galaktykach.
Promieniowanie w bliskiej podczerwieni emitowane przez gwiazdy jest dużo bardziej wiarygodne niż promieniowanie widzialne podczas szacowania masy na podstawie ilości promieniowania – to jeden z kluczowych wniosków – podsumowuje Lelli.
Badacze nałożyli przyspieszenie radialne obserwowane w krzywych rotacji i publikowane przez rzesze astronomów w ciągu ostatnich trzydziestu lat na przyspieszenie przewidziane na podstawie obserwowanego rozkładu zwykłej materii i skatalogowanego w bazie danych Spitzer Photometry & Accurate Rotation Curves stworzonej przez zespół McGaugh. Obydwa pomiary wykazują wyraźną zależność, nawet w przypadkach, w których zakłada się, że ciemna materia dominuje pod względem grawitacyjnym.
Lelli porównał tę zależność do jednego z fundamentalnych praw natury. „To tak jak trzecie prawo Keplera w Układzie Słonecznym. Gdy zmierzymy odległość planety od Słońca, otrzymamy jej okres orbitalny, i odwrotnie. Tutaj mamy do czynienia z podobnym prawem dla galaktyk, z około trzema tysiącami danych punktowych.”
Arthur Kosowsky, profesor fizyki i astronomii z University of Pittsburgh nie brał udziału w badaniach lecz recenzował ich wyniki.
„Standardowy model kosmologiczny niesamowicie skutecznie tłumaczy niemal wszystko co obserwujemy we Wszechświecie. Jednak jeżeli są choć jedne badania, które sprawiają, że nie mogę spać w nocy zastanawiając się czy czasem czegoś źle nie zrozumieliśmy – to właśnie są to te badania.”
Więcej informacji:
Źródło: Case Western Reserve University