2017.03.21. - A galaxiskeletkezés csúcspontján kevésbé dominált a sötét anyag

Az ESO VLT távcsőegyüttesével végzett új megfigyelések szerint kb. 10 milliárd évvel ezelőtt, a galaxiskeletkezés csúcspontján a nagy csillagontó spirálisok korongjaiban a lokálisan jellemzőnél kevesebb sötét anyag volt.

Közönséges vagy barionos anyagnak nevezzük az univerzum magáról elektromágneses sugárzás formájában hírt adó, a világító por- és gázködöket, a csillagokat, bolygókat és minden egyéb, közvetlenül megfigyelhető objektumot alkotó anyagát. A jóval titokzatosabb sötét anyag ilyen módon nem fedi fel magát, nem bocsát ki, nem nyel el, és nem ver vissza sugárzást, létéről csak gravitációs hatása tanúskodik. A sötét anyaggal magyarázható, hogy a közeli spirálgalaxisok külső részei miért forognak sokkal gyorsabban annál, mint amit akkor várhatnánk, ha csak közönséges, közvetlenül is látható anyagból állnának. A spirálgalaxisok korongjainak rotációs periódusa több száz millió év. Magjukban nagyon magas a csillagkoncentráció, kifelé haladva azonban csökken a világító anyag sűrűsége. Ha egy galaxis pusztán közönséges anyagból állna, akkor a ritkább külső régióknak sokkal lassabban kellene forogniuk, mint a centrum körüli sűrű területeknek. A lokális univerzum spirálgalaxisainak az elmúlt 6-7 évtized során végzett megfigyeléseiből azonban kiderült, hogy azok belső és külső régiói közel azonos sebességgel forognak a középpont körül. A "lapos rotációs görbe" annak a jele, hogy a spirálgalaxisok korongját olyan haló övezi, amely nagy mennyiségben tartalmaz sötét anyagot, azaz olyan szubsztanciát, amely nem bocsát ki elektromágneses sugárzást.

A Reinhard Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) által vezetett nemzetközi kutatócsoport az ESO VLT távcsőegyüttesének KMOS és SINFONI műszereivel a KMOS3D és SINS/zC-SINF égboltfelmérések keretében nyert adatok alapján a távoli, 10 milliárd évvel ezelőtti univerzum hat nagy tömegű, csillagontó galaxisának rotációs görbéjét határozta meg. A két felmérés az első olyan átfogó vizsgálat, amelynek során nagy számú, z ~ 0,6 és z ~ 2,6 közötti vöröseltolódású galaxis dinamikai viselkedését tanulmányozták.

Genzel és munkatársai meglepetésükre azt találták, hogy a mai univerzum spirálisaival ellentétben a távoli galaxisok külső régiói sokkal lassabban rotálnak, mint a maghoz közeli területeik, ez pedig azt sejteti, hogy bennük a vártnál kevesebb sötét anyag van. A vizsgált galaxisok rotációs görbéi nem laposak, hanem a centrumtól mért távolsággal lecsengenek, ennek pedig Genzel szerint valószínűleg két oka lehet. Az egyik az, hogy a korai, nagy tömegű galaxisokban tényleg a közönséges anyag dominált, és a sötét anyag sokkal kisebb szerepet játszott, mint a lokális univerzumban. A másik lehetőség az, hogy a korongjaik jóval turbulensebbek voltak, mint a kozmikus szomszédságunkban megfigyelhető spirálgalaxisok diszkjei. Mindkét hatás egyre erőteljesebbnek tűnik, ahogyan egyre messzebb tekintünk: 3-4 milliárd évvel az ősrobbanás után a galaxisokban a gáz lényegében már a lapos, forgó korongokba rendeződött, míg a sötét anyagból álló halók átmenetileg sokkal nagyobbak és kiterjedtebbek maradtak, a sötét anyagnak még több milliárd évre volt szüksége a kondenzációhoz és a hasonló struktúra eléréséhez, így a rotációs görbékre gyakorolt hatása csak a közeli galaxisokban mutatható ki. Ez a magyarázat azzal a megfigyelési ténnyel is összhangban áll, hogy a korai galaxisok gázban sokkal gazdagabbak és kompaktabbak voltak, mint a mai társaik.

A korai (jobbra) univerzum és napjaink (balra) spirálgalaxisai forgó korongjainak sematikus rajza. Az új megfigyelések szerint a korai galaxisok korongjaiban a bíbor színnel jelölt sötét anyag - kisebb koncentrációja miatt - sokkal kevésbé volt meghatározó. Ennek eredményeként a távoli galaxisok külső részei sokkal lassabban forognak, mint a közeliek megfelelő régiói. A különbséget bemutató animációk itt és itt érhetők el.
[ESO/L. Calçada]

Az új eredmény tehát nem kérdőjelezi meg a sötét anyag mint az univerzum alapvető összetevője létezésének szükségességét, de még a teljes mennyiségét sem. Inkább arra utal, hogy a korai univerzum galaxisaiban a sötét anyag másként oszlott el a galaxisok korongja és halója között, mint azt a lokális univerzumban láthatjuk.

Az egyedi galaxisok tanulmányozása mellett a kutatók más galaxisok gyengébb jelei alapján egy átlagos rotációs görbét is felvettek, ez szintén mutatja a hat nagy galaxis esetében megfigyelt rotációssebesség-csökkenési trendet, de két másik tanulmányban vizsgált 240 csillagontó galaxis korongjának rotációs sebessége is hasonló lefutást mutat, alátámasztva Genzelék eredményét. Részletes modellszámítások alapján a vizsgálatok végkövetkeztetése az, hogy míg a közönséges anyag átlagban a galaxisok teljes tömegének jellemzően a felét adja, nagy vöröseltolódásoknál teljes egészében meghatározza a galaxisok belső dinamikáját.

A lokális univerzum spirálgalaxisainál a rotációs görbék laposak, jelezve, hogy a korongokban a sötét anyag meghatározó összetevő, a távoli univerzum galaxisai esetében azonban a görbék a maximum elérése után lecsengenek, ami arra utal, hogy ezek korongjaiban gyakorlatilag csak közönséges anyag van.
[ESO/L. Calçada]

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazinban jelent meg.

Forrás:

• eso1709 - Science Release