En sammansatt vy över den magnifika galaxen Centaurus A, den närmaste aktiva galaxen till Vintergatan. 16 satellitgalaxer har uppmättts runt denna galax, varav 14 av dem verkar ligga i ett samroterande plan, och trotsar den naiva förväntningen på kalla mörka materiesimuleringar. Bildkredit: ESO / WFI (optisk); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Röntgen).

Satellitgalaxer lever i samma plan som deras värdar och trotsar mörka saker

Men är detta verkligen ett problem för teorin? Eller är det fysiken till undsättning?

Mörk materia är en av de mest kraftfulla, men ändå en av de mest kontroversiella idéerna som kommer fram i modern fysik. Vi ser obestridliga bevis på att den normala materien som finns i universum, som består av protoner, neutroner och elektroner, inte kan förklara hela gravitationseffekten på egen hand. Att lägga till en ytterligare massakälla med speciella egenskaper, dvs mörk materia, ger nästan alla gravitationens förutsägelser i linje med vad vi ser. Ändå är en av mörk materiens förutsägelser att små, dvärg, satellitgalaxer bör bildas i en stor gloria runt stora galaxer. Ändå runt Vintergatan, Andromeda och nu Centaurus A, bor de inte i en glorie, utan snarare en disk. Forskarna som gör den senaste studien hävdar att detta är en stor utmaning för standardbilden av kallt mörkt material (CDM) kosmologi. Men är det egentligen? Att ta reda på det kräver en djup titt.

En detaljerad titt på universum avslöjar att den är gjord av materia och inte antimateria, att mörk materia och mörk energi krävs, och att vi inte vet ursprunget till något av dessa mysterier. Bildkredit: Chris Blake och Sam Moorfield.

När du har en teori som är övertygande, enkel, löser en mängd problem, men vars grundläggande förutsägelse bara kan upptäckas indirekt, är det säkert att ha naysayers. Kosmisk inflation förklarar till exempel ursprunget till vårt universum, men bara dess resteffekter kan ses idag. Mörk energi förklarar den accelererade expansionen av universum perfekt, men det finns inget känt sätt att undersöka dess underliggande orsak. Och mörk materia förklarar frustrerande en hel svit av kosmologiska observationer, från dynamiken i enskilda galaxer till den storskaliga kosmiska webben till svängningarna i Big Bangs kvarvarande glöd. Men ingen har någonsin direkt upptäckt en mörk materiapartikel. Trots att ingen kommer ens i närheten. Fortfarande betyder det inte att mörk materia inte är verklig; det betyder att vi måste vara extremt försiktiga i våra analyser.

Enligt modeller och simuleringar bör alla galaxer inbäddas i halo av mörk materia, vars tätheter toppar vid de galaktiska centra. Emellertid förväntas ett stort antal sub-halo-klumpar finnas närvarande, vilket döljer miniatyrgalaxier inuti. Deras distribution bör vara halo-liknande, inte disk-liknande. Bildkredit: NASA, ESA och T. Brown och J. Tumlinson (STScI).

Satellitgalaxproblemet är ett riktigt problem, eftersom det finns massor av komplicerad fysik. När du kör en mörk materia-simulering är det en universell funktion att du med tiden bygger upp stora halor av mörk materia som smälter samman, vilket motsvarar de stora spiral- och elliptiska galaxerna vi känner idag. Men runt dem finns mindre subhalo, som i simuleringar visas vid alla riktningar runt den större galaxen. Men i praktiken dyker de små satellitgalaxerna vi faktiskt upp i ett plan: samma omloppsplan som huvudgalaxens skiva finns i.

Dvärg galaxerna som finns i bana runt Centaurus A-galaxen visar en tydlig orientering i galaxens plan, en utmaning för CDM-teorier att förklara. Bildkredit: O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018).

Även om den naiva förväntningen är att dessa dvärg galaxer också kommer att uppvisa slumpmässiga rörelser, visar vad vi observerar betydande bevis på att dessa satelliter roterar tillsammans med huvudgalaxen själv. Detta hittades först för Vintergatan och Andromeda, och ny forskning indikerar att detta är sant för Centaurus A också, med 14 av de 16 upptäckta satellitgalaxerna som tycks co-rotera tillsammans med den centrala galaxen.

Antingen gömmer något dessa glorier, något är fel med simuleringarna, eller så är något inte helt redovisat av mörk materia. Låt oss titta på var och en av möjligheterna.

Endast cirka 1000 stjärnor är närvarande i hela dvärggalaxierna Segue 1 och Segue 3, som har en gravitationsmassa på 600 000 solar. Stjärnorna som utgör den dvärgsatellitens satellit Segue 1 cirklar här. Bildkredit: Marla Geha och Keck Observatories.

1.) Dessa glorier är verkliga, men dvärgsatelliterna utanför disken är för svåra att se. Det saknade satellitproblemet är ett långvarigt problem inom kosmologin, eftersom simuleringar av CDM länge har indikerat mycket fler dvärggalaxier runt stora galaxer än vi har upptäckt. Nyligen har ett betydande antal ultra-svaga dvärg galaxer hittats, mestadels i närheten. De är svagare än till och med de öppna stjärnkluster som finns i Vintergatan, med många som bara innehåller hundratals stjärnor, trots mörka materialmassor i hundratusentals solmassor. Detta förklarar dock inte helt orienteringsproblemet, eftersom planet verkar vara verkligt.

Dessutom bör argumentet att dessa dvärgar skulle vara dolda endast gälla Vintergatan, eftersom endast dess plan fördöljer satelliter. Observationen av Centaurus A och Andromedas satelliter verkar låta detta vila. Det finns argumenter om huruvida alla observerade plan är dynamiskt stabila under långa tidsskalor, men det verkar inte som att de små, saknade dvärgarna kan förklara den oväntade plananpassningen.

Storskalig projektion genom Illustris-volymen vid z = 0, centrerad på det mest massiva klustret, 15 Mpc / h djup. Visar mörkämnesdensitet (vänster) som övergår till gastäthet (höger). Universums storskaliga struktur kan inte förklaras utan mörk materia, även om det finns många modifierade tyngdkraftsförsök. Mindre skalstrukturer utgör emellertid ofta problem för mörka materialsimuleringar. Bildkredit: Illustris Collaboration / Illustris Simulation.

2.) Simuleringarna som förutsäger en halo-liknande distribution av satelliter är felaktiga. Detta är en potentiell förklaring som bör tas mycket på allvar. Det finns ett mycket stort antal processer som spelas i galaktisk utveckling, inklusive sammanslagningar av mindre galaxer för att bygga upp de större, infalling materia på dessa galaxer, och flödet av mörk och normal materia längs kosmiska filament. Dessa filament är kända för att fungera som en sorts galaktisk motorväg och tränga små galaxer på de större under miljarder år. Dessutom finns det återkopplingseffekter från stjärnbildning, och samspelet mellan gas, plasma och strålning kan spela en roll som inte är väl redovisad i standard CDM-simuleringar. Den halo-liknande distributionen kanske inte är en generisk funktion, trots allt när alla dessa andra fysiska effekter redovisas.

Som man ser i synligt ljus ser galaxen Centaurus A ut som en blandning av en skivdominerad och en elliptisk galax. Observationerna av satelliterna som kretsar kring den utmanar emellertid den konventionella CDM-förklaringen, oavsett hur du skar den. Bildkredit: Christian Wolf & SkyMapper Team / Australian National University.

3.) Något är fel med själva idén om mörk materia. Den relativa betydelsen av de fysiska effekterna som anges ovan diskuteras dock hett. Som författarna till den nya artikeln själva noterar: ”Även om vi finner att kinematiken i [Centaurus] En satelliter troligen inte kommer att inträffa av en slump, tillåter detta inte omedelbart oss att dra slutsatser om dess överensstämmelse med förutsägelser från [kall mörk materia ] kosmologi. ” De mest moderna simuleringarna misslyckas med att reproducera det som observerats kring galaxer som Centaurus A, Vintergatan och Andromeda, och författarna till det aktuella tidningen hävdar att denna spänning därför gynnar ett alternativ till förklaringen av mörk materia. Det är utmärkt möjligt, som författarna föreslår, att dessa satelliter kommer från en historisk stor sammanslagning mellan två jämförbara storlekar galaxer. Detta är också en mycket diskuterad, men intressant, möjlighet.

Galaxfusioner är vanliga, och när tiden går kommer alla gravitationsbundna galaxer i grupper och kluster så småningom att smälta samman till en enda galax i kärnan i varje bunden struktur. När större sammanslagningar inträffar är resultatet ofta en jätte elliptisk, men ingen är säker på vad som händer så långt som dvärgsatellitgalaxier går. Bildkredit: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. för vetenskap / ESA / NASA.

Varje perspektiv har vissa bevis för att stödja det, men det är ganska tydligt att förutsägelsen om en halo-liknande distribution av alla utom de allra minsta satelliterna är inte vad universum ger oss. För tre stora galaxer, nu - Vintergatan, Andromeda och Centaurus A - verkar observationsfakterna visa att dvärgssatellitgalaxier förekommer i ett plan som omger dessa stora. Dessutom finns det tyder på att dessa dvärg galaxer är i rörelse tillsammans med den stora galaxens rotation. Men när du tittar på det närliggande universum finns det en viktig faktor: det finns lokala materialflöden, både normala och mörka, också på dessa galaxer. Om det finns en preferensriktning för hur materien faller in i dessa galaxer, borde det vara en preferensriktning för dvärgsatelliterna som blir bundna till dem.

Figuren visar den nuvarande strömmen av galaxer - flödet längs den kosmiska super-motorvägen och på bron till Jungfrun, i regionen runt Vintergatan, Andromeda och Centaurus A. Bildkredit: 'Plan av satellitgalaxer och den kosmiska webben , 'Noam Libeskind et al., 2015.

2015 upptäckte ett team under ledning av Noam Libeskind denna exakta effekt. "Det här är första gången vi har observerat verifiering av att stora filamentära supervägar kanaliserar dvärggalaxier över kosmos längs magnifika broar av mörk materia," sade Libeskind vid den tiden. Nu, nästan tre år senare, bekräftas bilden med bättre data med ännu större precision. Det finns inga ytterligare indikationer på att mörk materia är mer eller mindre trolig än tidigare från denna nya studie. Ändå är detta nuvarande team mer skeptiskt till CDM övergripande och mer benägen att leta efter alternativa förklaringar, till exempel stora sammanslagningar, för ursprunget till flygplanets satelliter.

Fyra kolliderande galaxkluster, som visar separationen mellan röntgenstrålar (rosa) och gravitation (blå), vilket tyder på mörk materia. På stora skalor är CDM nödvändigt, men på små skalor är det inte så framgångsrikt på egen hand som vi vill. Bildkredit: Röntgen: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi et al. Optisk / linsning: CFHT / UVic. / A. Mahdavi et al. (övre vänstra); Röntgen: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al .; Optiskt: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson et al. (överst till höger); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italien) / CFHTLS (längst ner till vänster); Röntgenbild: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara) och S. Allen (Stanford University) (längst ner till höger).

I en intervju med studiemedlem Marcel Pawlowski vid University of California, Irvine, berättade han följande:

”På stora skalor är [CDM] verkligen framgångsrikt. Jag tror att vi i allmänhet borde bli mer mångsidiga i våra tillvägagångssätt. MOND, å andra sidan, är mycket framgångsrik när det gäller att förutsäga småskalig dynamik. Jag är verkligen upphetsad över möjligheterna som kombinerar båda framgångar. Superfluid dark matter är en sådan intressant möjlighet, som ger dig storskaliga framgångar med mörk materia, men också reproducerar en MOND-effekt på små skalor. Jag tycker att vi bör uppmuntra och undersöka dessa möjligheter ytterligare. Jag tycker inte att vi borde ge upp på någonting, men jag tycker att fältet borde följa dessa alternativa strategier. ”

Men precis som upptäckten att tunga element gjordes i stjärnor snarare än det tidiga universumet ogiltigförklarade Big Bang, är det dock möjligt att två konkurrerande perspektiv båda är korrekta. Det är möjligt att baryon, galaxbildande materia flödar på galaxer via filamentvägarna, att CDM är ansvarig för universums storskaliga struktur och funktioner, och att dessa dvärgsatelliter härrör från de stora sammanslagningarna själva, inte från förutsägelserna av CDM. Om detta var fallet, förväntar vi oss dock att ”splashback” -galaxerna domineras av baryoner, inte av mörk materia. Intressant nog visar dvärggatellitgalaxier en blandning: i vissa fall överensstämmer resultaten med förutsägelsen av CDM-glorier, medan i andra verkar CDM-förutsägelser att överskatta den mörka materiens massa. En enhetlig modell som redovisar den fulla sviten av observationer undviker oss fortfarande.

Olika stillbilder från en simulering av sammanslagningen av Vintergatan och Andromeda-galaxerna. När en större sammanslagning som denna inträffar kan det vara så att en stor mängd skräp sparkas upp, vilket skapar satellitgalaxer som domineras av normal materia. Bildkredit: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas och A. Mellinger.

Så vem har rätt? När simuleringar blir bättre på att lägga till ytterligare dynamik som mörkt material / strålning / normalmaterialinteraktioner, stjärnbildsåterkoppling, lokala speciella hastighetseffekter och mer, matchar de bättre med observationerna, men fortfarande inte perfekt och absolut inte universellt. Å andra sidan har alternativ till mörk materia fortfarande samma misslyckanden när man försöker reproducera den kosmiska banan, den kosmiska mikrovågsbakgrunden eller dynamiken i kolliderande galaxkluster. Det är dock viktigt att hålla ett öppet sinne så länge som bevisen för rökvapen för CDM saknas, och också komma ihåg att detta är ett pussel som kan säga mer om galaxutvecklingen och sammanslagningar än om mörk materia. Som Michael Boylan-Kolchin säger, "Resultaten kan leda till antingen en bättre förståelse av galaxbildningen inom [kall mörk materia] -modell eller ett tryck för att störta dess underliggande antaganden."

På grund av den fulla suiten med sina framgångar på alla skalor är mörk materia här för att stanna, åtminstone för närvarande. Men bildandet och utvecklingen av galaxer, särskilt på mindre och mindre skalor, kommer dock att förbli ett aktivt forskningsområde med många olösta pussel under många år framöver.

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.