Ciemna materia rozpędza najmasywniejsze galaktyki spiralne do oszałamiających prędkości

Jak szybko wiruje galaktyka? Droga Mleczna, średnia galaktyka spiralna, obraca się z prędkością 210 km/s w okolicy naszego Słońca. Nowe badania wykazały, że najbardziej masywne galaktyki spiralne wirują szybciej niż oczekiwano. Te „super spiralne”, z których największa waży około 20 razy więcej, niż Droga Mleczna, wirują z prędkościami do 570 km/s.

Super spiralne galaktyki są wyjątkowe pod każdym względem. Oprócz tego, że są znacznie masywniejsze, niż Droga Mleczna, są również jaśniejsze i większe pod względem rozmiarów fizycznych. Rozpiętość największej z nich to 450 000 lat świetlnych w porównaniu do średnicy 100 000 lat świetlnych w przypadku Drogi Mlecznej. Do tej pory znanych jest tylko około 100 takich galaktyk. Zostały odkryte jako ważna nowa klasa galaktyk podczas badania danych z SDSS i z NED.

Patrick Ogle ze Space Telescope Science Institute w Baltimore jest pierwszym autorem artykułu opublikowanego 10 października b.r. w Astrophysical Journal Letters. W pracy przedstawiono nowe dane na temat prędkości obrotowych tych galaktyk zebranych za pomocą SALT, największego pojedynczego teleskopu optycznego na półkuli południowej. Dodatkowe dane uzyskano przy użyciu 5-metrowego teleskopu Hale’a z Obserwatorium Palomar. Dane z misji WISE uzyskane w podczerwieni miały kluczowe znaczenie dla pomiaru mas galaktyk w gwiazdach i tempie ich powstawania.

Nawiązując do nowego badania, Tom Jarrett z Uniwersytetu w Kapsztadzie w Południowej Afryce mówi: „Ta praca pięknie ilustruje potężną synergię między obserwacjami galaktyk w zakresie optycznym i podczerwonym, ujawniając ruchy gwiazd na podstawie spektroskopii SDSS i SALT oraz inne właściwości gwiazdowe poprzez obrazowanie WISE w podczerwieni.”

Teoria sugeruje, że galaktyki te wirują szybko, ponieważ znajdują się w niewiarygodnie dużych halo ciemnej materii. Od dziesięcioleci ciemną materię wiąże się z rotacją galaktyk. Astronom Vera Rubin była pionierem prac nad szybkościami rotacji galaktyk, pokazując, że galaktyki spiralne wirują szybciej, niż gdyby ich grawitacja była wywołana jedynie obecnością gwiazd i gazu. Dodatkowa, niewidoczna substancja, zwana ciemną materią musi wpływać na rotację galaktyki. Oczekuje się, że galaktyka spiralna o danej masie w gwiazdach będzie się obracać z określoną prędkością. Zespół Ogle stwierdza, że galaktyki te znacznie przekraczają spodziewaną prędkość rotacji.

Super spiralne galaktyki rezydują też w znacznie większych halo ciemnej materii. Najbardziej masywne halo, które mierzył Ogle, zawiera wystarczającą ilość ciemnej materii, aby ważyła co najmniej 40 bilionów razy więcej, niż Słońce. Ta ilość ciemnej materii zwykle zawierałaby grupę galaktyk, a nie pojedynczą galaktykę.

„Wygląda na to, że spin galaktyki jest ustalony przez masę halo ciemnej materii” – wyjaśnia Ogle.

Fakt, że galaktyki te łamią zwykły związek między masą galaktyki zawartą w gwiazdach a szybkością rotacji, jest nowym dowodem przeciwko alternatywnej teorii grawitacji znanej jako zmodyfikowana dynamika newtonowska (MOND). MOND sugeruje, że w największych skałach, takich jak galaktyki i gromady galaktyk, grawitacja jest nieco silniejsza niż byłaby przewidywana przez Newtona lub Einsteina. Spowodowałoby to na przykład, że zewnętrzne obszary galaktyki spiralnej obracały by się szybciej, niż można by się tego spodziewać na podstawie masy gwiazdowej. MOND ma na celu odtworzenie standardowej zależności prędkości rotacji galaktyk spiralnych, dlatego nie może wyjaśniać wartości odstających, takich jak super spiralne galaktyki. Obserwacje ich sugerują, że nie jest wymagana dynamika nienewtonowska.

Pomimo tego, że są one najmasywniejszymi galaktykami we Wszechświecie, w rzeczywistości mają niedowagę w postaci gwiazd w porównaniu z tym, czego można się spodziewać po ilości zawartej w nich ciemnej materii. Sugeruje to, że sama ilość ciemnej materii hamuje powstawanie gwiazd. Istnieją dwie możliwe przyczyny: 1 – każdy dodatkowy gaz, który jest wciągany do galaktyki, rozbija się i nagrzewa, uniemożliwiając jej ochłodzenie i tworzenie gwiazd, lub 2 – szybka rotacja galaktyki utrudnia zapadanie się.

Mimo tych zakłócających wpływów, galaktyki te wciąż mogą tworzyć gwiazdy. Pomimo, że największe galaktyki eliptyczne uformowały wszystkie lub większość swoich gwiazd ponad 10 mld lat temu, super spiralne galaktyki nadal tworzą gwiazdy. Każdego roku przekształcają około 30 mas Słońca materii w gwiazdy, co jest normalne dla galaktyk tej wielkości. Dla porównania, nasza Droga Mleczna formuje równowartość około 1 masy Słońca gwiazd rocznie.

Ogle i jego zespół zaproponowali dodatkowe obserwacje, aby pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania na temat tych galaktyk, w tym obserwacje mające na celu lepsze badanie ruchu gazu i gwiazd w ich dyskach. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dzięki dużemu polu widzenia będzie mógł badać je na większych odległościach i odpowiednio młodszych grupach wiekowych, aby dowiedzieć się więcej na temat tych galaktyk, które są niezwykle rzadkie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NASA

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.