Dziwne obserwacje galaktyk kwestionują idee dotyczące ciemnej materii

Intrygujące obserwacje odległych galaktyk stanowią wyzwanie dla dominujących teorii kosmologów na temat wszechświata, co może prowadzić do wniosku, że dziwna substancja zwana ciemną materią nie istnieje.

To jeden z możliwych wniosków z nowego badania opublikowanego 20 czerwca w "The Astrophysical Journal Letters". Odkrycie to "stawia pytania o niezwykle fundamentalną naturę," mówi Richard Brent Tully, astronom z University of Hawaii w Manoa, który nie był zaangażowany w pracę.

Astronomowie podejrzewają, że ciemna materia istnieje ze względu na sposób, w jaki gwiazdy i inne widzialne materiały na widzialnej krawędzi galaktyki się obracają. Prędkości obrotowe obiektów daleko od centrum galaktycznego są znacznie wyższe, niż powinny być z uwagi na ilość świecącej materii widoczną w teleskopach. Zgodnie z aktualnym zrozumieniem grawitacji przez fizyków, sugeruje to, że ogromny zbiornik niewidzialnej materii musi przyciągać te gwiazdy.

Nowe wyniki opierają się na fakcie, że masywne obiekty zakrzywiają strukturę przestrzeni i czasu. Galaktyki składają się z ogromnych ilości widzialnych gwiazd, gazu i pyłu, a także — według teorii — z ogromnego halo niewidzialnej ciemnej materii. Oznacza to, że światło będzie zakrzywiane i zniekształcane podczas podróży obok galaktyki, co jest efektem znanym jako soczewkowanie grawitacyjne.

Znając to, astronom Tobias Mistele z Case Western Reserve University w Cleveland i jego koledzy postanowili poszukać oznak soczewkowania grawitacyjnego wokół wielu galaktyk jako sposobu na zbadanie zawartości galaktyk. Zespół przyjrzał się katalogowi około 130,000 galaktyk sfotografowanych przez teleskop VLT Survey Telescope w Paranal Observatory Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile, szukając charakterystycznych smug wskazujących na obecność bardziej odległych galaktyk, których światło zostało zakrzywione i zniekształcone przez interweniujące obiekty.

Ilość soczewkowania stanowi wskaźnik masy galaktyk pierwszoplanowych, w tym zarówno ich materii świecącej, jak i, domniemanej, znacznie większej ilości ciemnej materii otaczającej każdą galaktykę. Zespół obliczył następnie masę w różnych odległościach od centrum każdej galaktyki i użył tej informacji do wnioskowania o prędkości, z jaką gwiazda obiegałaby w tych odległościach.

Według dominującego modelu kosmologii, zwanego Lambda CDM, ciemna materia skupia się w ogromne grudki w kosmosie, a grawitacyjne przyciąganie tych grudek przyciąga widzialną materię, która następnie tworzy galaktykę (SN: 4/4/24). Poprzednie obserwacje ustaliły, że te halopodobne grudki rozciągają się na co najmniej 300,000 lat świetlnych od centrum galaktyki. Poza tą granicą, prędkości obrotowe gwiazd powinny zaczynać zwalniać.

Jednak korzystając z danych o soczewkowaniu grawitacyjnym, Mistele i jego koledzy obliczyli, że gwiazda umieszczona milion lat świetlnych od centrum każdej galaktyki, a potencjalnie aż 3 miliardy lat świetlnych dalej, nadal obracałaby się zbyt szybko w porównaniu do ilości widzialnej i ciemnej materii, która, jak się uważa, jest w galaktyce obecna.

Czy to oznacza, że jest jeszcze więcej niewidzialnego materiału niż wcześniej sądzono? Być może nie.

Rywale teorii Lambda CDM, znanej jako zmodyfikowana dynamika Newtona (MOND), całkowicie zrezygnowali z koncepcji ciemnej materii i zamiast tego sugerują, że grawitacja zachowuje się inaczej w skali galaktyk (SN: 3/28/18). MOND, długo wykorzystywana przez współautora Mistele, Stacy McGaugh z Case Western, specyficznie przewiduje rodzaje obserwacji znalezionych w badaniu.

Jednak Lambda CDM nie jest jeszcze skazana na porażkę.

“Myślę, że to duża przesada stwierdzić, że można zrezygnować z ciemnej materii, ponieważ linie dowodów [na nią] są tak liczne,” mówi Bhuvnesh Jain, kosmolog z University of Pennsylvania.

Na przykład wzrost struktur wielkoskalowych we wszechświecie od czasów Wielkiego Wybuchu jest znacznie lepiej wyjaśniany przez Lambda CDM niż MOND. Jain sugeruje, że być może istnieją jeszcze bardziej egzotyczne idee w matematycznych modelach grawitacji, inspirowane myśleniem wyższych wymiarów znalezionym w teorii strun, które mogłyby wyjaśnić obecną strukturę wielkoskalową wszechświata. Pewne wariacje takich idei mogłyby być w stanie wyjaśnić dane Mistele i jego współpracowników, jednocześnie rewidując rolę ciemnej materii.

Obserwacje z satelity Euclides Europejskiej Agencji Kosmicznej, który został wystrzelony w zeszłym roku, wkrótce dostarczą naukowcom znacznie lepszych danych na temat soczewkowania grawitacyjnego, co może pomóc w rozwikłaniu tajemnic.