Sastavni prikaz veličanstvene galaksije Centaur A, najbliže aktivne galaksije Mliječnom putu. Oko ove galaksije izmjereno je 16 satelitskih galaksija, a njih 14 čini se da leže u rotirajući ravnini, prkoseći naivnom iščekivanju simulacija hladne tamne materije. Kreditna slika: ESO / WFI (optički); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss i sur. (Submillimetre); NASA / CXC / CfA / R.Kraft i sur. (Rendgen).

Satelitske galaksije žive u istoj ravnini kao i njihovi domaćini, prkoseći predviđanjima tamne materije

Je li to zaista problem teorije? Ili je fizika na pomoći?

Tamna materija jedna je od najmoćnijih, a opet jedna od najkontroverznijih ideja koja se javlja u modernoj fizici. Vidimo neosporne dokaze da normalna tvar prisutna u Svemiru, koju čine protoni, neutroni i elektroni, ne može sama objasniti cijeli gravitacijski efekt. Dodavanje dodatnog izvora mase s određenim svojstvima, tj. Tamne materije, dovodi gotovo sva predviđanja gravitacije u skladu s onim što vidimo. Ipak, jedno je od predviđanja mračne materije da bi se male, patuljaste, satelitske galaksije morale formirati u velikom halou oko velikih galaksija. Ipak oko Mliječnog puta, Andromeda, i sada Centaur A, oni ne žive u oreolu, već na disku. Istraživači koji rade posljednju studiju tvrde da je to veliki izazov standardnoj slici kozmologije hladne tamne materije (CDM). Ali je li stvarno? Da biste saznali, potreban je dubinski pregled.

Detaljan pogled na svemir otkriva da je načinjen od materije, a ne od antimaterije, da je potrebna tamna tvar i tamna energija i da ne znamo porijeklo bilo koje od tih misterija. Bonus slike: Chris Blake i Sam Moorfield.

Kad god imate teoriju koja je uvjerljiva, jednostavna, rješava mnoštvo problema, ali čije se osnovno predviđanje može otkriti samo neizravno, mora postojati naizgled. Kozmička inflacija, na primjer, objašnjava porijeklo našeg Svemira, ali danas se mogu vidjeti samo njegovi ostaci. Tamna energija savršeno objašnjava ubrzano širenje svemira, ali ne postoji poznati način da se ispita njegov temeljni uzrok. A tamna tvar, frustrirajuće, objašnjava čitav niz kozmoloških promatranja, od dinamike pojedinih galaksija do kozmičkog weba velikih razmjera do fluktuacija ostatka sjaja Velikog praska. Ali nitko nikada nije izravno otkrio čestice tamne materije. Nitko se uopće ne može približiti. Ipak, to ne znači da tamna materija nije stvarna; to znači da moramo biti izuzetno oprezni u svojim analizama.

Prema modelima i simulacijama, sve galaksije trebale bi biti ugrađene u oreole tamne materije, čija gustina doseže vrh u galaktičkim središtima. Očekuje se, međutim, da će biti prisutan veliki broj pod-halo nakupina, koji u sebi kriju minijaturne galaksije. Njihova distribucija trebala bi biti u obliku halo, a ne na disk. Bonus slike: NASA, ESA, T. Brown i J. Tumlinson (STScI).

Problem sa satelitskom galaksijom prava je zagonetka s obzirom na to da je uključeno puno zamršene fizike. Kad pokrenete simulaciju tamne materije, to je univerzalno obilježje da s vremenom izgradite velike oreole tamne materije koji se spajaju zajedno, što odgovara velikim spiralnim i eliptičnim galaksijama kakve poznajemo danas. Ali okružujući ih su manji podhalomi, koji se pojavljuju u simulacijama u svim orijentacijama oko veće galaksije. U praksi, međutim, male satelitske galaksije koje stvarno vidimo prikazuju se u ravnini: istoj orbitalnoj ravnini u kojoj se nalazi disk glavne galaksije.

Patuljaste galaksije koje se nalaze u orbiti oko Kentaura Galaksija pokazuje jasnu orijentaciju u ravnini galaksije, što je teorija CDM-a da objasni. Kreditna slika: O. Muller i sur., Science 359, 6375 (2018).

Nadalje, iako je naivno očekivanje da će ove patuljaste galaksije također pokazivati ​​slučajne pokrete, ono što promatramo pokazuje značajne dokaze da se ovi sateliti kotaču sa glavnom galaksijom. To je prvo pronađeno za Mliječni put i Andromedu, a nova istraživanja pokazuju da je to istina i za Centaur A, a 14 od 16 otkrivenih satelitskih galaksija čini se da se zajedno okreću sa središnjom galaksijom.

Ili se nešto skriva u tim halozima, nešto nije u redu sa simulacijama ili nešto tamna materija ne odražava u potpunosti. Pogledajmo svaku od mogućnosti.

Samo oko 1000 zvijezda prisutno je u čitavoj patuljastoj galaksiji Segue 1 i Segue 3, koja ima gravitacijsku masu od 600 000 Sunca. Ovdje su kružile zvijezde koje čine patuljasti satelit Segue 1. Kreditna slika: Marla Geha i opservatorij Keck.

1.) Ovi su halo stvarni, ali patuljasti sateliti izvan diska suviše teški za vidjeti. Problem satelita koji nedostaje dugotrajan je problem u kozmologiji, jer su simulacije CDM-a odavno pokazale daleko više patuljastih galaksija oko velikih galaksija nego što smo otkrili. Nedavno je pronađen znatan broj galaktika ultra nejasnih patuljaka, većinom u blizini. Oni su blijedi čak i od otvorenih nakupina zvijezda koje se nalaze u Mliječnom putu, a mnoge sadrže samo stotine zvijezda, usprkos masama tamne materije u stotinama tisuća solarnih masa. Međutim, to ne objašnjava u potpunosti problem orijentacije, jer se čini da je ravnina stvarna.

Nadalje, argument da bi se ovi patuljci sakrili trebao bi se odnositi samo na Mliječni put, jer će samo njegov zrakoplov zamračiti satelite. Čini se da se opažanjem satelita Centaura A i Andromede ovo umiri. Postoje argumenti o tome jesu li svi promatrani zrakoplovi dinamički stabilni tijekom dugog vremenskog razmaka, ali ne čini se da mali, nestali patuljci mogu objasniti neočekivano ravninsko poravnanje.

Projekcija velikih razmjera kroz volumen Illustrisa pri z = 0, usredotočena na najmasivniji skup, dubok 15 Mpc / h. Prikazuje gustoću tamne materije (lijevo) koja prelazi u gustoću plina (desno). Struktura svemira velikih razmjera ne može se objasniti bez tamne materije, iako postoje mnogi pokušaji modificirane gravitacije. Međutim, strukture manjih razmjera često predstavljaju probleme za simulacije tamne materije. Bonus slike: Illustris suradnja / Illustris simulacija.

2.) Simulacije koje predviđaju halo sličnu raspodjelu satelita su pogrešne. To je potencijalno objašnjenje koje bi trebalo uzeti vrlo ozbiljno. U galaktičkoj evoluciji igra se vrlo velik broj procesa, uključujući spajanje manjih galaksija radi stvaranja većih, dopadnu tvar na ove galaksije, te protoke tamne i normalne materije duž kozmičkih niti. Zna se da ti filamenti funkcioniraju kao svojevrsna galaktička autocesta, uspavljujući male galaksije na veće u milijardama godina. Uz to, efekti povratnih informacija nastali su od formiranja zvijezda, a međusobni utjecaj plina, plazme i zračenja može igrati ulogu koja se ne uzima u obzir u standardnim simulacijama CDM-a. Halo-distribucija možda nije generičko svojstvo, na kraju krajeva, kad se uzimaju u obzir svi ovi drugi fizički učinci.

Kao što se vidi u vidljivoj svjetlosti, galaksija Centaur A izgleda kao mješavina galaksije koja dominira na disku i eliptične. Međutim, opažanja satelita koji orbitiraju izazivaju uobičajeno objašnjenje CDM-a, bez obzira na to kako ga izrežete. Kreditna slika: Christian Wolf & SkyMapper Team / Australian National University.

3.) Nešto nije u redu s samom idejom tamne materije. No, o relativnoj važnosti gore navedenih fizičkih učinaka toplo se raspravlja. Kao što sami autori novog rada napominju: „Iako nalazimo da se kinematika satelita [Centaurus] vjerojatno neće dogoditi slučajno, to nam ne omogućava odmah donošenje zaključaka o njegovom slaganju s predviđanjima iz [hladne tamne materije ] kozmologija. "Najmodernije simulacije ne uspijevaju reproducirati ono što se opažalo oko galaksija poput Centaura A, Mliječnog Puta i Andromede, a autori sadašnjeg rada tvrde da ova napetost favorizira alternativu objašnjenju tamne materije. Autori su, kako sugeriraju autori, izuzetno moguće da ovi sateliti izlaze iz povijesnog velikog spajanja dviju galaksija usporedivih veličina. I o ovom je pitanju mnogo raspravljano, ali zanimljivo.

Spajanje galaksija je uobičajeno, a kako vrijeme prolazi, sve se gravitacijski povezane galaksije u skupinama i klasterima s vremenom spajaju u jednu galaksiju u jezgri svake vezane strukture. Kada dođe do većih spajanja, rezultat je često velika eliptična, ali nitko nije siguran što se događa s patuljastim satelitskim galaksijama. Kreditna slika: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. znanosti / ESA / NASA.

Svaka perspektiva ima neke dokaze koji joj idu u prilog, ali sasvim je jasno da predviđanje halo-distribucije svih, ali i najmanjih satelita, nije ono što nam pruža Svemir. Za tri velike galaksije, sada - Mliječni put, Andromeda i Centaur A - izgleda da opažajuće činjenice pokazuju kako se patuljaste satelitske galaksije pojavljuju u ravnini koja okružuje ove velike. Nadalje, postoje sugestivni dokazi da su te patuljaste galaksije u pokretu, zajedno sa rotacijom velike galaksije. Međutim, kad pogledate obližnji Univerzum, postoji važan faktor: na ove galaksije postoje i lokalni tokovi materije, i normalni i tamni. Ako postoji preferencijalni smjer kako materija pada u te galaksije, trebao bi biti preferencijalni smjer prema patuljastim satelitima koji se vežu za njih.

Na slici je prikazan trenutni tok galaksija - tok u kozmičkoj super-autocesti i na mostu za Djevicu, u regiji oko Mliječnog puta, Andromede i Centaura A. Kreditna slika: 'Avioni satelitskih galaksija i kozmičkog weba , 'Noam Libeskind i sur., 2015.

2015. godine tim predvođen Noamom Libeskindom otkrio je točan učinak. "Ovo je prvi put da smo promatrali potvrdu da velike filamentarne super-magistrale usmjeravaju patuljaste galaksije kroz svemir duž veličanstvenih mostova tamne materije", rekao je tada Libeskind. Sada, skoro tri godine kasnije, slika se potvrđuje boljim podacima s još većom preciznošću. Nema dodatnih naznaka da je tamna tvar vjerojatnija ili manje vjerojatna nego što je bila slučaj iz ove nove studije. Ipak, ovaj trenutni tim više skeptično gleda prema CDM-u i sklon je traženju alternativnih objašnjenja, poput većih spajanja, o podrijetlu unutarnjih satelita.

Četiri sudarajuća galaktička sudara, koja prikazuju razdvajanje između X-zraka (ružičasta) i gravitacije (plava), što ukazuje na tamnu tvar. Na velikim je mjestima CDM neophodan, ali na malim skalama nije uspješan sam po sebi koliko mi volimo. Kreditna slika: X-zraka: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi i sur. Optički / Leća: CFHT / UVic. / A. Mahdavi i sur. (gore lijevo); X-zraka: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson i sur .; Optički: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson i sur. (Gore desno); ESA / Xmm-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italija) / CFHTLS (dolje lijevo); X-zraka: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Kalifornijsko sveučilište, Santa Barbara) i S. Allen (Sveučilište Stanford) (dolje desno).

U intervjuu sa koautorom studije Marcel Pawlowski sa kalifornijskog sveučilišta u Irvineu, on je povezao sljedeće:

"Na velikim je mjestima [CDM] stvarno uspješan. Mislim da bismo generalno trebali postati raznovrsniji u našim pristupima. MOND je, s druge strane, vrlo uspješan u predviđanju dinamike malih razmjera. Jako sam uzbuđena zbog mogućnosti koje kombiniraju uspjehe oba. Suvišna tamna tvar je jedna takva zanimljiva mogućnost, koja vam pruža velike uspjehe tamne materije, ali i reproducira MOND efekt na malim mjerilima. Mislim da bismo trebali dodatno poticati i istraživati ​​te mogućnosti. Mislim da ne bi trebalo da odustanemo od bilo čega, ali mislim da bi to polje trebalo slijediti ove alternativne pristupe. "

Međutim, baš kao što otkriće da su teški elementi napravljeni u zvijezdama, a ne rani Svemir nije poništilo Veliki prasak, moguće je da su obje konkurentne perspektive obje točne. Moguće je da barijenska materija koja stvara galaksiju teče na galaksije filamentnim putovima, da je CDM odgovoran za veliku strukturu i obilježja svemira, a također i da ovi patuljasti sateliti proizlaze iz samih velikih spajanja, a ne iz predviđanja CDM-a. Da je to slučaj, međutim, u potpunosti očekujemo da će „splashback“ galaksijama dominirati barioni, a ne tamna materija. Zanimljivo, patuljaste satelitske galaksije pokazuju mješavinu: u nekim slučajevima rezultati se podudaraju s predviđanjem haloa CDM-a, dok se u drugima čini da previđaji CDM-a uvelike precjenjuju masu tamne materije. Jedinstveni model, koji uključuje čitav niz opažanja, još uvijek nam se izmiče.

Razlikuje se fotografijama od simulacije spajanja galaksija Mliječni put i Andromeda. Kada dođe do velikog spajanja poput ovog, može se dogoditi da se velika količina krhotina razbaci, stvarajući satelitske galaksije kojima dominira normalna materija. Bonus slike: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas i A. Mellinger.

Pa tko je točan? Kako simulacije postaju bolje dodavanjem dodatne dinamike poput interakcije tamne materije / zračenja / normalne materije, povratne informacije o formiranju zvijezda, lokalnih karakterističnih efekata brzine i još više, one se podudaraju bolje s opažanjima, ali još uvijek nisu savršeno i sigurno ne univerzalno. S druge strane, alternative tamnoj materiji i dalje trpe iste neuspjehe pri pokušaju reprodukcije kozmičkog weba, kozmičke mikrovalne pozadine ili dinamike sudaranja galaksija. Međutim, važno je držati se otvorenog uma sve dok nedostaju dokazi o pušenju za CDM, a također se prisjetite da je ovo zagonetka koja možda više govori o evoluciji i spajanju galaksija nego o tamnoj materiji. Kako kaže Michael Boylan-Kolchin, "rezultati mogu dovesti do boljeg razumijevanja formiranja galaksija unutar modela [hladne tamne materije] ili do poticanja da se obore njezine temeljne pretpostavke."

Zbog čitavog niza svojih uspjeha na svim mjestima, tamna tvar je tu da ostane, barem zasad. Međutim, formiranje i evolucija galaksija, posebno na manjim i manjim mjerilima, ostat će aktivno područje istraživanja s mnogim neriješenim zagonetkama još godinama.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.