Precis som krusningar i ett damm indikerar att någon kastade en sten, sprang en vattenmätare eller hoppade en groda, bestäms förekomsten av en mystisk substans - mörk materia - av dess stora inflytande på rymden. Astronomer kan inte observera det direkt, men svårighetsgraden av mörk materia avgör galaxernas födelse, form och rörelse. Detta gör förra årets upptäckt helt oväntad: i en konstig, diffus galax hittades ingen mörk materia alls. Tror du att det är allt? Oavsett hur det är.
Galaxer utan mörk materia
Flera forskare välkomnade denna upptäckt. Andra har uttryckt sin tvivel genom att kritisera mätningen av galaxens avstånd och rörelse. Insatserna är höga: om det verkligen saknas mörk materia i denna galax kommer det paradoxalt att bekräfta existensen av denna materia.
Och så har det ursprungliga teamet fått ytterligare bevis för att stödja dess ursprungliga upptäckt. Dessutom har en andra galax upptäckts med liknande symptom. Där det fanns en ultradiffus galax utan mörk material (vid första anblicken), finns det nu två.
"Ett objekt kan alltid skrivas av som en enhörning, men så fort du hittar två enhörningar börjar du undra om enhörningens eventuella existens," säger Michael Boylan-Kolchin, en astronom vid University of Texas i Austin, som inte var inblandad i studien. "Och sedan börjar du tänka på var de kom ifrån, vad deras egenskaper är och hur vanliga de är."
Hitta enhörningar
Kampanjvideo:
De två galaxerna som är intressanta för oss är mycket svaga och långt från Jorden: fotoner från deras stjärnkluster började resa mot vår planet under de sista dagarna av dinosauriernas regeringstid, för cirka 65 miljoner år sedan. Den första galaxen NGC 1052-DF2 är storleken på Vintergatan, men innehåller 100 gånger färre stjärnor. Den nya galaxen NGC 1052-DF4 ligger i samma himmelregion och är ungefär densamma i storlek och massa.
I mars förra året publicerade forskare under ledning av Shani Danieli och Peter van Dokkum från Yale University en studie som uppskattade storleken på NGC 1052-DF2 genom att observera dess stjärnljus såväl som rörelserna från stjärnkluster som omger det. Om NGC 1052-DF2 innehöll lika mycket mörk materia som astronomer vanligtvis förväntar sig av den, skulle mörk materia öka banhastigheten för dessa stjärnfenomen. Men de rör sig trögt, vilket antyder att det inte finns någon mörk materia. Kritiker hävdar att hastigheterna för dessa stjärnkluster beräknades felaktigt - och även om de var korrekta, var provstorleken på bara 10 stjärnkluster för blygsam för att på ett tillförlitligt sätt bestämma NGC 1052-DF2: s mörka materiel.
I oktober beslutade Danieli att ta itu med denna fråga med en annan teknik. Hon tog Keck Cosmic Web Imager, ett nytt instrument som nyligen installerades bakom den jätte 10-meters huvudspegeln på Keck-teleskopet på Hawaii. Detta instrument kan mäta ljus från mycket svaga föremål med extremt hög upplösning, vilket gör det idealiskt för att studera ultradiffusa galaxer som NGC 1052-DF2. Detta verktyg var så bra att Danieli inte längre var tvungen att studera stjärnklyngens rörelser för att bestämma galaxens massa. Istället kunde hon få massa direkt, direkt med hjälp av stjärnbelysningen i galaxen.
När det gäller information innehåller starlight mycket av det. Genom att separera ljus i dess beståndsfärger (detta kallas spektroskopi) kan forskare bestämma sammansättningen av en stjärna, dess ålder, riktning i rymden och hastighet. Merparten av denna information överförs i form av spektrallinjer - linjära element inbäddade i en stjärns spektrum på grund av emission eller absorption av olika kemiska element. Kecks instrument mätte spektrumet för cirka 10 miljoner stjärnor i DF2-galaxen. Storleken på spridningen mellan de snabbaste och långsammaste stjärnorna i galaxen ger en uppfattning om hur mycket materie som interagerar med dem. Ju mer materia - mörk eller någon annan typ - desto större är spridningen i stjärnorna.
"Till vår egen överraskning mätte vi extremt smala spektrallinjer som lämnar väldigt lite utrymme för mer massa annan än den massa som stjärnorna för in i galaxen," säger Danieli. Det finns helt enkelt ingen plats för mörk materia.
Under tiden har Erik Emselem från European Southern Observatory och hans kollegor utforskat galaxen med Very Large Telescope i Chiles Atacama Desert. De upptäckte också låghastighetsdispersion som stöder det saknade mörka materiescenariot.
Nicholas Martin, en astronom vid universitetet i Strasbourg i Frankrike, var en av kritikerna på den ursprungliga artikeln. I ett uppföljningsdokument som publicerades förra året hävdade han att det är för svårt att uppskatta massan på DF2-galaxen baserat på rörelserna i det omgivande stjärnklustret. Men Martin säger att han har blivit lugnad av de senaste resultaten från Danieli och Emsell.
”Detta har blivit möjligt tack vare nya instrument som har kommit till de största teleskop på planeten. Och för att vara ärlig, för ett år sedan var det inte uppenbart för mig att detta skulle vara genomförbart. För ett år sedan var jag inte redo att säga att detta system skulle vara helt nödvändigt konstigt, för det verkade för mig att mätningar inte stöds fullt ut av uppgifterna. Men nu när det finns två olika lag som har uppmätt själva stjärnornas hastighetsområde, tror jag att det har blivit uppenbart att det finns en konstighet."
Danielis resultat presenterades vid en konferens om mörk materia vid Princeton University och kommer att publiceras i Astrophysical Journal Letters.
Sammantaget antyder hennes forskning att det finns en hel klass av sådana mörkämnesfattiga galaxer.
På jakt efter den saknade saken
Vissa astronomer häftar sina hjärnor över hur sådana galaxer skulle kunna bildas och vart den mörka saken gick. Boylan-Kolchin säger att en möjlighet är gravitationskraften i en närliggande, mycket större galax, åtskild från mörk materia. Eller DF2 och DF4 kanske inte är galaxer alls, men blygsamma stjärnor av stjärnor förklädda som galaxer; i detta fall kan dessa isolerade grupper av stjärnor bildas från kolliderande gasstrålar som flyr någon annanstans. Eller det kan finnas ännu tråkigare scenarier, till exempel orienteringen av galaxer relativt jorden, vilket påverkar negativt att få exakta spektrala mätningar av deras rörelser.
En sak är säker: om inga tunga tvivel uppstår, kommer frånvaron av mörk materia i galaxer övertygande att visa att denna fråga kan separeras från stjärnor, gas, damm och annan vanlig materia. Och det i sin tur kommer att stärka argumentet för förekomsten av mörk materia.
Hittills har ingen definitivt upptäckt mörk materia, trots decennier av intensiv forskning. Brist på bevis har fått en del astrofysiker att leta efter alternativa sätt att skulptera galaxer och kontrollera deras rörelse genom uppkomsten av hypoteser som "framväxande tyngdkraft" och "modifierad Newtonsk dynamik." Förespråkare för dessa hypoteser hävdar att de flesta astronomer tror att mörk materia kan vara ett fenomen som uppstår från fysik som vi inte helt förstår. Men i detta fall kommer dessa konstiga galaxer att tala för att alternativen är fel och att mörk materia verkligen kan vara orsaken.
Ilya Khel