Ciemna materia rozpędza najmasywniejsze galaktyki do ogromnych prędkości

Gdy mówimy o galaktykach, to jak szybko jest szybko? Droga Mleczna, przeciętnych rozmiarów galaktyka spiralna rotuje z prędkością 210 km/s w otoczeniu Słońca. Nowe badania wskazują jednak, że najmasywniejsze galaktyki spiralne we wszechświecie rotują szybciej niż się tego spodziewano. Te “superspirale”, z których największe są nawet 20 razy masywniejsze od Drogi Mlecznej, rotują z prędkością nawet 570 km/s.

Superspirale są wyjątkowe niemal pod każdym względem. Oprócz tego, że są znacznie masywniejsze od Drogi Mlecznej, są od niej jaśniejsze i mają większe rozmiary. Średnica największej to około 450 000 lat świetlnych, podczas gdy średnica Drogi Mlecznej to jedynie 100 000 lat świetlnych. Jak dotąd udało się odkryć jedynie około 100 superspirali. Tę nową klasę galaktyk odkryto podczas analizowania danych z przeglądu Sloan Digital Sky Survey (SDSS) oraz NASA/IPAC Extragalactic Database (NED).

“Superspirale są ekstremalne na wiele sposobów” mówi Patrick Ogle z Space Telescope Science Institute w Baltimore. “Biją rekordy jeżeli chodzi o prędkość rotacji”.

Ogle jest głównym autorem artykułu opublikowanego 10 października 2019 roku w periodyku Astrophysical Journal Letters. W artykule prezentuje on nowe dane dotyczące prędkości rotacji superspirali, zebrane za pomocą teleskopu SALT (Southern African Large Telescope), największego pojedynczego teleskopu na półkuli południowej. Dodatkowe dane zebrano za pomocą 5-metrowego teleskopu Hale w Obserwatorium Palomar. Dane z misji WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) były kluczowe do pomiaru mas galaktyk wyrażonych w gwiazdach oraz tempa powstawania nowych gwiazd.


Słuchałaś/słuchałeś już najnowszego odcinka podcastu Gwiazdozbiry? Jeżeli nie, to kliknij w oknie obok. Zachęcamy do subskrypcji w Waszych aplikacjach podcastowych.


Odnosząc się do najnowszych badań Tom Jarrett z University of Cape Town w RPA mówi: “Te prace fantastycznie ilustrują moc synergii obserwacji galaktyk w zakresie optycznym i podczerwonym, dzięki czemu możemy analizować ruch gwiazd za pomocą SDSS oraz spektroskopii SALT oraz inne własności gwiazd – szczególnie masę gwiazd w galaktykach za pomocą WISE”.

Teoria mówi, że superspirale szybko rotują ponieważ zanurzone są w niewiarygodnie dużych obłokach (halo) ciemnej materii. Ciemna materia wiązana jest z tempem rotacji galaktyk już od dziesięcioleci. Astronomka Vera Rubin była pionierką prac nad tempem rotacji galaktyk, która wykazała, że galaktyki spiralne rotują szybciej niż gdyby za ich grawitację odpowiadała jedynie masa składających się na nie gwiazd i gazu. Dodatkowa, niewidoczna substancja, tak zwana ciemna materia, musi także wpływać na tempo rotacji galaktyk. Galaktyka spiralna o danej masie tworzących ją gwiazd powinna kręcić się z określoną prędkością. Zespół kierowany przez Ogle dowiódł jednak, że superspirale znacząco przekraczają w ten sposób określone tempo rotacji.

Superspirale jednocześnie znajdują się w większych niż przeciętne halo ciemnej materii. Najmasywniejsze halo zmierzone przez Ogle zawiera ciemną materię o masie przekraczającej 40 bilionów mas Słońca. Taka ilość ciemnej materii zazwyczaj wystarcza na grupę galaktyk, a nie na pojedynczą galaktykę.

“Wydaje się, że tempo rotacji galaktyki wyznaczane jest przez masę jej halo składającego się z ciemnej materii” wyjaśnia Ogle.

Fakt, że superspirale łamią typowy związek między masą galaktyk wyrażoną w gwiazdach a tempem rotacji, jest kolejnym dowodem przeciwko alternatywnej teorii grawitacji znanej jako MOND. MOND mówi, że w największych skalach takich jak galaktyki czy gromady galaktyk, grawitacja jest nieznacznie silniejsza niż przewidzieli to Newton i Einstein. Dzięki temu zewnętrzne regiony galaktyk spiralnych mogą rotować szybciej niż byśmy tego oczekiwali po masie ich gwiazd. MOND zaprojektowano do odtworzenia standardowego związku tempa rotacji galaktyk spiralnych, a tym samym MOND nie może tłumaczyć takich obiektów jak superspirale. Obserwacje superspirali natomiast wskazują, że nie potrzebujemy żadnej nowej dynamiki nienewtonowskiej.

Pomimo tego, że są one najmasywniejszymi galaktykami spiralnymi we wszechświecie, superspirale wydają się zbyt mało masywne gdy spojrzymy na ilość zawartej w nich ciemnej materii. To wskazuje na to, że sama ilość ciemnej materii hamuje procesy gwiazdotwórcze. Istnieją dwa możliwe wyjaśnienia: 1) gaz przyciągany przez galaktykę zderza się ze sobą i rozgrzewa, co utrudnia ochładzanie gazu i powstawanie z niego nowych gwiazd lub 2) wysokie tempo rotacji galaktyki utrudnia obłokom gazu zapadanie się pod wpływem siły odśrodkowej.

Pomimo tych utrudnień, w superspiralach wciąż powstają jakieś gwiazdy. Choć największe galaktyki eliptyczne uformowały wszystkie lub znaczą większość swoich gwiazd ponad 10 miliardów lat temu, w superspiralach gwiazdy powstają także obecnie. Co roku zamieniają w gwiazdy masę około 30 mas Słońca. Dla porównania, w Drodze Mlecznej w gwiazdy co roku zamienia się materia o masie około jednej masy Słońca.

Źródło: ESA/Hubble Information Centre

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ab459e

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.