En galax som knappt syns – men väger som en jätte
Astrofysiker har snubblat över en galax så svag att den praktiskt taget försvinner på fotografier, och ändå verkar den vara enormt massiv. Dess massa beror inte på antalet stjärnor – det finns förvånansvärt få av dem. Forskarna misstänker att nästan hela det "tunga" inre av detta objekt utgörs av mörk materia, som varken lyser eller låter sig mätas direkt.
En ny analys av data från Hubbleteleskopet och markbaserade observatorier pekar ut en särskilt gåtfull galax av typen ultra-diffus. Objektet är ungefär lika stort som Vintergatan, men har bara en bråkdel av dess ljusstyrka. Vid första anblicken ser det ut som en suddig fläck – som om någon slarvigt dragit ut en vanlig galax över himlen.
Stjärnornas och andra komponenters rörelser avslöjar dock att ett kraftigt gravitationsfält döljer sig i mitten. Något håller samman galaxen trots att den knappt lyser. Det är just signalen på att lejonparten av massan gömmer sig i form av mörk materia, osynlig för våra teleskop.
Mörk materia sänder inte ut ljus, absorberar det inte på vanligt sätt och syns inte – det enda som röjer dess existens är den gravitation den utövar på stjärnor, gas och andra galaxer.
Vad är egentligen mörk materia
Astronomer har i decennier sett att något inte stämmer i beräkningarna. Galaxer roterar för snabbt för att hållas samman enbart av de synliga stjärnornas och gasens tyngd. Galaxhopar attraherar varandra med en kraft som vida överstiger vad man kan räkna fram från bilderna.
Mätningar visar att ungefär 80 procent av all materia i universums stora strukturer varken lyser eller består av protoner och neutroner. Den utgörs av en helt annan typ av partiklar. Astrofysiker antar att dessa partiklar bildar ett slags kallt gas med låga hastigheter, som under gravitationens inverkan klumpar ihop sig till enorma ansamlingar. De fungerar som ett skelett på vilket galaxer och galaxhopar sedan växer fram.
- Vanlig materia: stjärnor, planeter, interstellärt gas
- Mörk materia: osynliga partiklar med enbart gravitationseffekt
- Mörk materias andel: ungefär fyra gånger mer massa än allt som lyser
Ultra-diffusa galaxer – stora men nästan tomma
Under de senaste åren har astronomer beskrivit en klass objekt som kallas ultra-diffusa galaxer, förkortat UDG. De är utsträckta och stora, med dimensioner jämförbara med spiralgalaxer, men innehåller förvånansvärt få stjärnor. Följden är att de lyser mycket svagt – nästan som om de redan "brunnit ut".
Vissa av dem verkar helt genomsyrade av mörk materia. Andra påminner, till forskarnas häpnad, om vanliga galaxer som bara konstgjort "blåsts upp" och suddats ut. Dessa skillnader har gjort UDG till ett hett ämne, eftersom de kan både stärka och testa det klassiska scenariot med mörk materia.
Ju bättre forskarna lär känna UDG, desto mer precist kan de kontrollera om den moderna kosmologiska modellen med dominerande mörk materia verkligen fungerar i detalj.
Hur bildas en galax där nästan ingenting lyser
När astrofysiker funderar över sådana objekts historia överväger de flera scenarier. Ett av dem utgår från att en UDG börjar sitt liv som en liten, ganska typisk dvärgalax. Den kommer dock för nära ett stort galaxhop nedsänkt i het, tät gas.
Den miljön utövar ett kraftigt tryck på den mindre galaxen. Gasströmmar och gravitationspåverkan river loss det material som behövs för att bilda nya stjärnor. Dessutom spelar de så kallade tidvattenkrafterna in – gigantiska gravitationsskillnader mellan objektets ena och andra sida, som kan suga ut en del av dess innehåll.
Som ett resultat förlorar den gamla dvärgalaxen större delen av sitt gas och en del stjärnor. Det som återstår är i huvudsak ett "osynligt skelett" av mörk materia och en liten population gamla stjärnor. Dess ljusstyrka sjunker, storleken ökar, och takten för nya stjärnors bildning blir nästan obefintlig.
Den nästan osynliga galaxen röjs av klotformiga stjärnhopar
Galaxen som beskrivs i de nya analyserna tillhör just denna grupp av objekt. Den väcker inget uppmärksamhet med sin glans. Dataanalytikerna som arbetade med Hubbles material fick anstränga sig ordentligt för att ens på ett trovärdigt sätt skilja ut dess svaga ljus från bakgrunden fylld av andra galaxer.
Det som hjälpte dem var ett karakteristiskt drag: förekomsten av täta ansamlingar av gamla stjärnor, så kallade klotformiga stjärnhopar. Sådana hopar kretsar vanligtvis i galaxers vidsträckta halo och är betydligt lättare att detektera än en hel galax diffusa sken.
| Komponent | Vad den bidrar med i analysen |
|---|---|
| Stjärnor i galaxens skiva | Visar objektets allmänna form och ljusstyrka |
| Klotformiga stjärnhopar | Hjälper till att uppskatta massa och storlek hos halo av mörk materia |
| Interstellärt gas | Informerar om möjligheterna till fortsatt stjärnbildning |
Genom att räkna antalet klotformiga stjärnhopar och analysera deras fördelning kan forskarna förvånansvärt väl uppskatta galaxens totala massa. I det här fallet visade det sig att de synliga stjärnorna är alldeles för få för att motivera ett så kraftigt gravitationsfält. Det är ett starkt argument för att mörk materia dominerar där.
Varför den här galaxen är så viktig för kosmologin
Datorsimulationer av stora kosmiska volymer tyder på att det kring stora galaxer borde kretsa hela svärmar av små objekt inbäddade i mörk materia. I observationer är de inte alltid lätta att hitta, vilket i åratal väckt frågan om den klassiska kosmologiska modellen verkligen fungerar utan justeringar.
Ultra-diffusa galaxer kan delvis förklara denna brist. De kan vara "försvunna" satellitgalaxer som förändrat utseende och bleknat till följd av turbulenta interaktioner med omgivningen. Den här specifika galaxen, nästan helt dominerad av mörk materia, bidrar med ytterligare en pusselbit.
Om det finns fler liknande objekt blir vår bild av hur mörk materia organiserar större kosmiska strukturer mer sammanhängande med superdatorsimulationerna.
Hur forskar man i praktiken på något man inte kan se
Att studera mörk materia liknar en brottsutredning där man aldrig ser gärningsmannen – bara konsekvenserna av hans handlingar. Forskarna använder flera verktyg samtidigt: precisionsfotografering, mätning av stjärnors hastigheter, detektion av klotformiga stjärnhopar samt analys av avlägsna galaxers former som förvrängs av gravitationell linsning.
Varje sådant element ger ledtrådar om var mörk materia samlas och hur den är fördelad. För ultra-diffusa galaxer krävs instrument med extremt hög känslighet, eftersom det handlar om bråkdelar av den ljusstyrka vi normalt ser i amatörteleskop på natthimlen.
För den som inte arbetar professionellt med kosmologi kan mörk materia låta abstrakt – men den har en mycket konkret påverkan på hur himlen ser ut. Utan den skulle stjärnorna i många galaxer inte hålla samman i sådana kompakta strukturer, och enorma galaxhopar hade inte hunnit bildas i den takt de gjorde efter Big Bang. Man kan säga att mörk materia satte upp scenen på vilken stjärnor, planeter och vi själva sedan trädde fram.
Det är också värt att minnas att mörk materia inte är den enda kandidaten till den "saknade massan". Det finns alternativa idéer som modifierar själva gravitationsteorin, och som försöker förklara galaxers beteende utan att lägga till nya partiklar. Varje ny galax dominerad av osynlig massa blir därför ett viktigt test: existerar den mystiska komponenten verkligen i form av partiklar, eller behöver våra gravitationsekvationer en djupgående korrigering?
