Dodano: 18 sierpnia 2022r.

Brak halo ciemnej materii w galaktykach karłowatych wyzwaniem dla obecnych koncepcji

Zdecydowana większość galaktyk jest otoczona przez halo ciemnej materii. Tak przynajmniej do tej pory zakładano w ramach standardowego modelu kosmologicznego. Ostatnio pojawiło się jednak nowe opracowanie, które podważa prawidłowość takiego podejścia. W Gromadzie w Piecu zaobserwowano bowiem galaktyki, których zaburzenia wydają się wspierać zmodyfikowaną hipotezę grawitacji.

Brak halo ciemnej materii w galaktykach karłowatych wyzwaniem dla obecnych koncepcji

 

Zgodnie z wiodącym modelem kosmologicznym, Wszechświat wypełniony jest znacznie większą ilością ciemnej materii niż materii barionowej, czyli tej zwykłej, znanej nam materii. Ta hipotetyczna substancja jest niewidoczna, nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach. Widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty. Mimo lat poszukiwań istnienie ciemnej materii nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest jej dokładna natura i co ją tworzy.

Uważa się, że wokół galaktyk istnieje halo cząstek ciemnej materii. Halo to sferyczny obszar otaczający dysk galaktyki i tradycyjnie uważany jest za najstarszy jej składnik. To halo, jest niewidoczne, ale jego masa wywiera silne przyciąganie grawitacyjne na pobliskie galaktyki. Jednak nie wszyscy astronomowie zgadzają się, że ciemna materia jest najlepszym wyjaśnieniem tego, co obserwujemy. Nowe badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu w Bonn i Uniwersytetu w Saint Andrews kwestionują pogląd, że galaktyki są otoczone halo ciemnej materii. Wyniki ich prac sugerują, że galaktyki karłowate drugiej najbliższej Ziemi gromady galaktyk – znanej jako Gromada w Piecu – nie posiadają halo ciemnej materii.

Rezultaty i opis badań ukazały się w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (DOI: 10.1093/mnras/stac1765).

Galaktyki bez halo ciemnej materii

Wspomniane wcześniej halo chociaż jest niewidoczne, to jednak jego masa jest źródłem silnego przyciągania grawitacyjnego na obrzeżach galaktyk. Naukowcy obserwując galaktyki karłowate znajdujące się w Gromadzie w Piecu doszli do wniosku, że mogą one nie posiadać halo ciemnej materii. Same galaktyki karłowate znajdują się zazwyczaj właśnie w gromadach lub też w pobliżu większych galaktyk.

Badacze zaproponowali metodę sprawdzenia obecnie najpopularniejszego modelu kosmologicznego, tzw. modelu Lambda-CDM w oparciu o to, na ile funkcjonowanie galaktyk karłowatych jest zaburzone przez fale grawitacyjne z sąsiednich galaktyk. Galaktyki karłowate doskonale nadają się do testowania różnych modeli grawitacyjnych, ze względu na swoją stosunkowo małą masę, co czyni je szczególnie podatnymi na siły pływowe oddziałujące w gromadzie lub pochodzące z pobliskich, większych galaktyk.

Gromada w Piecu ma bogatą populację galaktyk karłowatych, a niektóre z nich wydają się zniekształcone, jakby znajdowały się pod wpływem grawitacyjnym otoczenia. - Takich perturbacji nie oczekuje się u galaktyk karłowatych. Halo ciemnej materii tych galaktyk powinno częściowo osłaniać je przed siłami pływowymi z gromady galaktyk - powiedział Pavel Kroupa, profesor na Uniwersytecie w Bonn i Uniwersytecie Karola w Pradze.

Problem polega na tym, że zgodnie z modelem Lambda-CDM taka sytuacja w ogóle nie powinna mieć miejsca dlatego, że jeżeli byłyby rzeczywiście otoczone halo ciemnej materii, to bariera ta powinna przynajmniej częściowo chronić te galaktyki przed takimi oddziaływaniami.

Dotychczasowe założenia nie pasują do obserwacji

Naukowcy postanowili odtworzyć obserwacje w symulacjach komputerowych. Przeanalizowali spodziewany poziom zaburzeń w galaktykach karłowatych, który zależy tak od ich wewnętrznej struktury, jak i odległości od centrum gromady. Szczególnie narażone są tutaj galaktyki o dużych rozmiarach, ale niewielkiej masie gwiazd oraz znajdujące się najbliżej centrum. Uzyskane rezultaty porównano ze zdjęciami wykonanymi przez VLT Survey Telescope należący do European Southern Observatory. Niestety symulacje oparte o model Lambda-CDM, który zakłada istnienie ciemnej materii, nie przyniosły spodziewanych efektów. Modelu nijak nie dało się dopasować do obserwacji. Zgodnie z nim, galaktyki karłowate z Gromady w Piecu powinny już były zostać rozerwane przez grawitację.

Naukowcy spróbowali przeprowadzić symulacje z wykorzystaniem zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej (Modified Newtonian Dynamics – MOND). W jej ramach nie zakłada się istnienia ciemnej materii. Zamiast tego proponowana jest korekta tradycyjnej dynamiki Newtona poprzez założenie, że w reżimach niskich przyśpieszeń grawitacja ulega wzmocnieniu.

Badacze przyznali, że z początku nie byli pewni, czy przy zastosowaniu w symulacjach MOND galaktyki w ogóle miałyby prawo wytrzymać ekstremalny wpływ środowiska, które je otacza. Tym bardziej zaskakujący był fakt, że w tym przypadku przewidywania na bazie MOND okazały się zgodne z poczynionymi obserwacjami. W tym kontekście należy wspomnieć, że pojawia się coraz więcej publikacji uwidaczniających niezgodności pomiędzy dokonywanymi obserwacjami, a dotychczasowymi założeniami dotyczącymi ciemnej materii.

 

Źródło: University of Bonn, fot. ESO/ Aniello Grado/ Luca Limatola