Astrofysiker har snubblat över en galax så svag att den nästan försvinner på bilder – och ändå verkar den vara oerhört massiv.
Massan beror inte på antalet stjärnor, för det är förvånansvärt få. Forskarna misstänker att nästan hela det "tunga" innanmätet hos detta objekt utgörs av mörk materia – ett ämne som inte lyser och som undviker direkta mätningar.
Galaxen som knappt syns men väger som en jätte
En ny analys av data från Hubbleteleskopet samt markbaserade observatorier pekar på en särskilt gåtfull galax av ultra-diffus typ. Objektet är jämförbart i storlek med 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 det döljer sig ett kraftigt gravitationsfält i mitten. Något håller ihop galaxen trots att den knappt lyser. Det är just signalen om att lejonparten av massan gömmer sig i form av mörk materia, osynlig för våra teleskop.
Mörk materia sänder inte ut ljus, lyser inte och absorberar det inte på ett vanligt sätt – det enda som röjer dess närvaro är gravitationen den utövar på stjärnor, gas och andra galaxer.
Vad är egentligen mörk materia
Astronomerna har i decennier sett att något inte stämmer i beräkningarna. Galaxer roterar för snabbt för att hålla ihop enbart tack vare vikten av synliga stjärnor och gas. Galaxhopar drar i varandra med en kraft som är för stor i förhållande till vad som direkt kan räknas ut från bilder.
Mätningar visar att i kosmiska storskalor utgör ungefär 80 procent av all materia sådant som varken lyser eller består av protoner och neutroner. Det rör sig om en helt annan typ av partiklar. Astrofysiker antar att dessa bildar ett slags kallt gas med låga hastigheter, som under gravitationens inverkan klumpar ihop sig till gigantiska ansamlingar. Dessa utgör det skelett på vilket galaxer och galaxhopar sedan växer fram.
- Vanlig materia: stjärnor, planeter, interstellärt gas
- Mörk materia: osynliga partiklar som enbart ger upphov till gravitationseffekter
- Mörk materias andel: ungefär fyra gånger mer massa än allt som lyser
Ultra-diffusa galaxer – stora men nästan tomma
Under de senaste åren har astronomerna beskrivit en klass objekt som kallas ultra-diffusa galaxer, förkortat UDG. De är utsträckta och stora, jämförbara i storlek med typiska spiralgalaxer, men innehåller förvånansvärt få stjärnor. Resultatet är att de lyser mycket svagt, som om de vore nästan "utbrända".
Vissa av dem verkar vara genomsyrade av mörk materia. Andra påminner, till forskarnas förvåning, om vanliga galaxer som bara konstlat "blåsts upp" och suddats ut. Dessa skillnader gör 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 uppstår en galax där nästan ingenting lyser
När astrofysikerna funderar på sådana objekts historia överväger de flera scenarier. Ett av dem utgår från att en UDG börjar sitt liv som en liten, ganska typisk dvärargelax. Den hamnar emellertid för nära ett stort ansamling av andra galaxer nedsänkta i het, tät gas.
Denna miljö utövar ett kraftigt tryck på den mindre galaxen. Gasströmmar och gravitationsväxelverkan sliter loss det material som behövs för att föda nya stjärnor. Dessutom gör sig de så kallade tidvattenkrafterna gällande – gigantiska gravitationsskillnader mellan den ena och den andra sidan av objektet, som kan suga ut en del av dess innehåll.
Till slut förlorar den forna dvärgalaxen det mesta av sin gas och en del stjärnor, och kvar finns huvudsakligen ett "osynligt skelett" av mörk materia samt en liten population av gamla stjärnor. Ljusstyrkan sjunker, storleken ökar, och takten för nya stjärnors bildning blir ytterst låg.
Den nästan osynliga galaxen avslöjad av klotformiga stjärnhopar
Den galax som beskrivs i de nya analyserna tillhör just denna grupp av objekt. Den väcker ingen uppmärksamhet med sin glans. Dataanalytikerna från Hubble fick anstränga sig hårt för att överhuvudtaget på ett trovärdigt sätt separera dess svaga ljus från bakgrunden full av andra galaxer.
En avgörande hjälp var en specifik egenskap: förekomsten av täta ansamlingar av gamla stjärnor, det vill säga klotformiga stjärnhopar. Sådana hopar kretsar vanligtvis i galaxers vidsträckta halo och är betydligt lättare att upptäcka än det suddiga skenet från hela galaxen.
| Komponent | Vad den bidrar med i analysen |
|---|---|
| Stjärnor i galaxens skiva | Visar objektets allmänna form och ljusstyrka |
| Klotformiga stjärnhopar | Hjälper till att uppskatta massan och storleken på 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 det finns alldeles för få synliga stjärnor 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
Datorsimuleringar av stora kosmiska volymer indikerar att runt stora galaxer borde det kretsa hela svärmar av små objekt nedsänkta i mörk materia. I observationer är det inte så lätt att fånga upp dem alla, vilket i åratal har provocerat frågan om den klassiska kosmologiska modellen verkligen fungerar utan korrigeringar.
Ultra-diffusa galaxer kan delvis förklara denna brist. De kan vara "försvunna" satellitgalaxer som förändrat utseende och tystnat på grund av turbulenta interaktioner med omgivningen. Denna specifika galax, nästan helt dominerad av mörk materia, bidrar med ytterligare en pusselbit.
Om liknande objekt finns i större antal blir vår bild av hur mörk materia organiserar större kosmiska strukturer mer konsekvent med superdatorernas simuleringar.
Hur undersöker man i praktiken något som inte syns
Att studera mörk materia liknar ett detektivarbete där man aldrig får se gärningsmannen – bara konsekvenserna av dennes handlingar. Forskarna använder flera verktyg samtidigt: precisa bilder, mätningar av stjärnors hastigheter, detektion av klotformiga stjärnhopar, samt analys av avlägsna galaxers former som förvrängs av gravitationslinsning.
Var och en av dessa faktorer ger ledtrådar om var mörk materia samlas och hur den är fördelad. För ultra-diffusa galaxer blir instrument med mycket hög känslighet avgörande, eftersom spelet handlar om bråkdelar av den ljusstyrka vi vanligtvis ser på natthimlen i ett amatörteleskop.
För den som inte är professionell kosmolog kan mörk materia låta abstrakt, men den har en mycket konkret påverkan på hur himlen ser ut. Utan den skulle stjärnor i många galaxer inte hålla ihop i så kompakta strukturer, och enorma galaxhopar skulle inte ha uppstått i sådan takt efter Big Bang. Man kan säga att det är just mörk materia som ställde upp scenen på vilken stjärnor, planeter och vi själva senare framträdde.
Det är också värt att komma ihåg att mörk materia inte är den enda kandidaten till den "saknade massan". Det finns alternativa idéer som modifierar själva gravitationsteorin. Sådana ansatser försöker förklara galaxernas beteende utan att lägga till nya partiklar. Varje ny galax dominerad av osynlig massa blir därmed ett viktigt test: existerar denna mystiska komponent verkligen i form av partiklar, eller kräver våra gravitationsekvationer en genomgripande revidering.
