Galaksija X: Mračna galaksija koja ne postoji

Astronomi su gotovo otkrili ogromnu satelitsku galaksiju napravljenu od tamne materije. Skoro.

Prije deset godina par astronoma na Sveučilištu u Berkeleyu u Kaliforniji iznio je smjelu ideju. Na temelju simulacija n-tijela i radio opažanja diska Mliječnog Puta, predložili su da se na gotovo 300 000 svjetlosnih godina nalazi patuljasta galaksija, danas poznata kao Galaxy X. Ovaj satelit Mliječnog puta bio bi prvi potvrđeni član hipotetičke klase objekata zvanih tamne galaksije, sastavljene gotovo u potpunosti od tamne materije.

Iako bi postojanje tamnih galaksija imalo velike posljedice na većinu modela svemira, za Galaxy X postojali su samo neizravni dokazi, a većina astronomske zajednice nije bila uvjerena. U 2015. godini, međutim, grupa je tvrdila da je otkrila četiri zvijezde, koje su sjedile točno usred mjesta gdje su predviđali da je galaksija. Odjednom se stvorio uvjerljiv razlog da se vjeruje da je ova mračna galaksija stvarna.

Međutim, stvari su se tijekom te godine dogodile zanimljiv, a od 2019. više nemamo izravne promatračke dokaze za bilo koju tamnu galaksiju koja kruži oko Mliječnog puta. Stoga se prvi put susrećem s pisanjem o zaista fascinantnom objektu koji ne postoji. Nadam se da ćete ostati sa mnom dok istražujem što su tamne galaksije, zašto je Galaxy X takva privlačna ideja i važna lekcija o proučavanju promjenjivih zvijezda.

Živimo u galaksiji grlića

Slika 2, Levine i sur. 2006. Karta srednje visine plinskog diska Mliječnog Puta. Bijela područja nalaze se s obje strane galaktičkog središta, gdje ne možemo dobiti pouzdana mjerenja udaljenosti. Primijetite asimetriju u obliku krila, kao i sitne uznemirenosti.

Od 1950-ih astronomi su znali da disk Mliječnog puta nije ravan, već iskrivljen. Na nekim je mjestima ovo izobličavanje prilično dramatično, s učincima na poredak od kiloparseka. Veliki dio našeg razumijevanja oblika diska potječe od opažanja neutralnog vodika (HI) pomoću 21-cm linije (vidi npr. Levine i sur. 2006). Uz ovo izobličavanje, u nekim regijama postoje i lokalizirane uznemirenosti, koje se ponekad nazivaju i kapci. Moguće je da intergalaktička magnetska polja ili intergalaktički medij uzrokuju ove poremećaje, ali druga atraktivna opcija uključuje sile plima iz satelitskih galaksija.

Jedna grupa iz Berkeleyja (Chakrabarti i sur. 2009.) bila je zainteresirana za proučavanje vrste satelita koja bi bila potrebna za objašnjenje nekih značajki malih razmjera. Modelirali su galaksiju nalik Mliječnom putu s eksponencijalnim diskom plina i zvijezda, kao i oreolom tamne materije. Dodali su je u manjoj kvržici tamne materije - subhalo - i poslali je na paraboličnu orbitu. Pokazalo se da, pod pretpostavkom da je masa subhaloa oko 1% Mliječnog Puta i pericentrična udaljenost od 5 kpc, oni mogli prilično dobro reproducirati HI ljuske.

Slika 1, Chakrabarti & Blitz 2009. Ova simulacija, označena kao 100E0R5, pokazuje poremećaje površinske gustoće za vrijeme i nakon prolaska subhaloa tamne materije s pericentričnom udaljenosti od 5 kpc. Satelit najbliži pristup iznosi 0,299 Gyr, u drugom kadru, a današnji je 0,600 Gyr.

Konkretno, učinci subhaloa trebali bi se proširiti znatno nakon bliskog pristupa. Pokretanje simulacija naprijed u vremenu pokazalo je da bi se simulirani poremećaj trebao slagati s onim što danas vidimo ako je perturber sada udaljen oko 90 kpc. Precizno mjesto isključilo je i Veliki magelanski oblak i patuljastu sferoidnu galaksiju Strijelca, osim ako prethodni proračuni njihovih orbita nisu točni, a budući da su ovo jedini sateliti dovoljno veliki, mora negdje vrebati tamna galaksija: tamna galaksija.

Zašto su tamne galaksije tako tamne?

Jedan od stupova suvremene kozmologije je ΛCDM model svemira. To sugerira da pored redovne materije koja nas okružuje, u kozmosu dominiraju tamna energija (Λ) i hladna tamna tvar (CDM). ΛCDM model izuzetno je uspješan u objašnjavanju pojava poput širenja svemira i rotacijskih krivulja galaksija, ali nije savršen.

Slika 2, Klypin i sur. 1999. Okvir iz simulacije tamne materije u grupi galaksija poput Lokalne grupe, kojom dominiraju dva ogromna oreola - galaksija Andromeda i Mliječni put.

Jedna od njegovih glavnih zamki je nešto što se naziva problem nestalih satelita, što je postalo očito u 1990-ima. Simulacije galaksijskih skupina poput naše (vidi Klypin i sur. 1999.) predviđale su formiranje satelitskih galaksija poput Magelanskih oblaka, kao obilje subhalosa tamne materije. Iako smo u Lokalnoj grupi i šire pronašli mnoge satelitske galaksije, simulacije predviđaju da bi trebalo biti još mnogo toga - ponekad redom veličine.

Slika zelenog bankarskog teleskopa Smithov oblak, oblak velike brzine koji se sudario s Mliječnim putem. Kreditna slika: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF, pod licencom Creative Commons Attribution 3.0.

Izloženo je nekoliko rješenja. Na primjer, moguće je da su neke satelitske galaksije razdvojene plimnim silama, pretvorene u oblake velike brzine koji se više puta sudaraju s galaktičkim diskom. Drugo objašnjenje je da nestali podhalosi još uvijek postoje, ali samo kao takozvane mračne galaksije, objekti u kojima dominira tamna tvar i dim dim. Njihova tvorba zvijezda bila bi ugašena, bilo od vjetrova supernove koji su istjerali plin u intergalaktički prostor, bilo ionizirajućim zračenjem koje je spriječilo da se molekularni oblaci uruše u prvom redu. Bilo koji scenarij trebao je formirati malu populaciju zvijezda, ali ne u značajnim količinama, a tamna tvar bi i dalje trebala prevladavati nad plinom, prašinom i barijonom.

Pretraživanje tamnih galaksija nije lak zadatak. Astronomi mogu pokušati da ih otkriju neizravno, tražeći gravitacijsko leće ili uznemirenost drugih galaksija, ali ti efekti vjerovatno neće biti očigledni. Srećom, tamne galaksije nisu čisto mračna materija, i promatrajući plinske oblake ili nekoliko usamljenih zvijezda koje su domaćini, astronomi mogu pokušati pronaći ove prigušene objekte. Zadnja pretraga dala je nekoliko nepotvrđenih kandidata posljednjih godina, a među njima i Dragonfly 44, u klasteru kome.

Slika 1, van Dokkum i sur. 2016. Zmaj 44, kandidat tamne galaksije, vrlo je slab, čak i na ovim slikama koje kombiniraju podatke o g i i opsegu.

Galaxy X je navodno udaljen svega 90 kpc, što ga čini glavnom metom za ovu vrstu tehnike. Čak i ako je njegova masa samo 1% veća od Mliječnog puta, pa čak i ako je većina te mase u obliku tamne materije, ovdje i tamo bi trebale biti raštrkane neke zvijezde. Sve što ostaje je pronaći ih. Nasuprot izgledi, Chakrabarti, Blitz i suradnici su učinili upravo to, tvrdeći da su otkrili četiri promjenjive zvijezde tamo gdje su smatrali da bi trebala biti njihova tamna galaksija.

Ali dogodio se ulov.

Kako su ga (skoro) pronašli

Paradoksalno, neki od najboljih objekata za mjerenje udaljenosti u svemiru su oni koji se mijenjaju u svjetlini: Cefeidne varijable, vrsta varijabilne zvijezde koja bubri i skuplja se u vremenskim razmacima dana ili tjedana. Njihova su razdoblja izravno povezana s njihovim sjajima, pa ako možete izmjeriti Cepheidovo razdoblje i njegovu prividnu veličinu, možete shvatiti koliko je daleko. Cefidi su nevjerojatno korisni u ekstragalaktičkoj astronomiji i korišteni su za dokazivanje da se svemir širi i da je galaksija Andromeda daleko od Mliječnog puta.

Skupina Galaxy X (Chakrabarti i sur. 2015.) odlučila je potražiti Cepheide na mjestima na nebu u blizini galaktičkog diska. Koristili su infracrvene podatke K-opsega iz VISTA varijable Via Lactea (VVV) Europskog opservatorija za pronalazak crvenih zvijezda, vrućih crvenih divova. Jedna pločica slika pokazala je ne jednu već četiri Cepheidove varijable sjedinjene unutar kvadratnog stupnja - malo je vjerojatno da će uskladiti promjenu. U razdobljima u rasponu od 3,4 do 13,9 dana, grupa je uspjela izračunati udaljenost od 92, 100, 73 i 91 kpc - otprilike udaljenost njihove hipotezirane tamne galaksije.

Slika 2, Chakrabarti i sur. 2015. Ks-band svjetlosne krivulje četiriju promjenjivih zvijezda koje je tlo promatralo. Imajte na umu da podatkovne točke traju samo otprilike jedno razdoblje; jednostavno su crtani više puta. Uz to, krivulja četvrte zvijezde nije baš glatka ili sinusoidna.

Bilo bi krajnje neobično vidjeti jednu usamljenu cefeidsku varijablu toliko daleko od galaktičkog diska, a kamoli četiri. Također nije bilo vjerojatno da su zvijezde bile plimske krhotine iz, recimo, patuljaste sferične galaksije Strijelca ili Velikog magelanskog oblaka, jer iako ovi predmeti djeluju prilično dramatično s Mliječnim putem, nisu dovoljno blizu neba. Ako su podaci točni, zvijezde bi, čak i bez spektroskopskih mjerenja, mogle biti dio nove galaksije.

Ovo bi mogao biti ogroman korak ka potvrđivanju postojanja Galaxyja X. Problem je bio što se skupina oslanjala samo na jedan skup infracrvenih opažanja i samo na kratke vremenske okvire, možda prekratke da bi bile pouzdane. Što ako su promjene svjetlosti samo privremeni fenomen - i što ako zvijezde uopće nisu bile cefidi?

Te standardne svijeće nisu tako standardne

Kasnije 2015. drugačija skupina astronoma (Pietrukowicz i sur. 2015.) dovodi u sumnju mjerenja udaljenosti tvrdeći da zvijezde, u stvari, nisu klasični cefeidi. Oni su se okrenuli opažanjima u I opsegu iz Anketa o varijabilnosti galaksije OGLE (OGLE GVS). OGLE GVS snimio je tri od četiri zvijezde, označene kao S1, S2 i S3. Nakon nadopunjavanja podataka dodatnim I-opsežnim slikama S2 i S3, tim je došao do drugačijeg zaključka: Niti jedna zvijezda nije bila Cepheidi.

Slika 2, Pietrukowicz i sur. 2015. Nove svjetlosne krivulje u prvom pojasu za prve tri zvijezde ne pokazuju periodičnost za dva kandidata i un-cefeidske varijacije u trećem.

S1 i S2 nisu pokazali značajne razlike, i dok se činilo da S3 oscilira u svjetlini u razdoblju od 5.695 ili 11.39 dana, amplituda oscilacija bila je veća od onih izmjerenih u prvoj skupini. Pietrukowicz i sur. tvrdio je da je S3 zapravo druga vrsta zvijezda: RS Canum Venaticorum varijabla, binarna zvijezda u kojoj jedna komponenta prikazuje istaknute zvjezdaste posude koje se mijenjaju s vremenom kako se zvijezda vrti. Niz potvrđenih varijabli Cvn RS ima slične svjetlosne krivulje, a skupina je pokazala da mogu oponašati cefeidne pulsacije. Amplituda i razdoblje varijacija S3 savršeno se uklapaju.

Objašnjenje zvjezdice za S3 potkrijepljeno je činjenicom da njegova krivulja svjetlosti u I opsegu nije mnogo nalikovala Cepheidovoj - odstupanje je također prikazano u izvornim S4 opažanjima. Ukratko, zaključila je grupa, četiri zvijezde gotovo sigurno nisu cefidske varijable, pa bi mjerenja udaljenosti tamne galaksije trebalo u potpunosti izbaciti.

Slika 7, Pietrukowicz i sur. 2015. Čak ni amplitude varijacija S3 ne odgovaraju onim Cefeidima viđenim u Mliječnom putu ili Magelanskim oblacima, a njegovo je razdoblje sumnjivo dugo.

Novi rad poništava jedina pretpostavljena izravna opažanja Galaxyja X. Iako ovo nije bio dokaz da objekt ne postoji, to je bio ozbiljan udarac teoriji - koju su sad podržale samo ranije simulacije. Ni ovo nije nužno bilo uvjerljivo jer su samo jedno u nizu potencijalnih objašnjenja za uvrtanje diska Mliječnog Puta.

Od 2015. nijedna grupa nije iznijela opažajne dokaze o navodnoj tamnoj galaksiji. Zabranjujući otkrivanje bilo kakvih objekata na toj udaljenosti i galaktičke dužine, čini se malo da uopće postoji. Astronomi imaju dosta drugih kandidata za tamnu galaksiju koji bi mogli proučavati, naravno - Zmaj 44, HI regija VIRGOHI21 i nekolicina drugih - ali nijedan nije dao dobre rezultate. Za sada, tamne galaksije ostaju hipotetičke, važne, ali do sada neotkrivene stanovnike svemira.