Lehdistötiedote

Pimeällä aineella vähemmän painoarvoa varhaisessa maailmankaikkeudessa

VLT-havainnot etäisistä galakseista antavat ymmärtää, että ne olivat normaalin aineen hallitsemia

15. maaliskuuta 2017

Uudet havainnot antavat ymmärtää, että 10 miljardia vuotta sitten vallinneen galaksienmuodostuksen aikakauden massiiviset, tähtiä muodostavat galaksit olivat baryonisen eli "normaalin" aineen hallitsemia. Tämä on vahvassa ristiriidassa tämän päivän galakseihin, joissa mystisen pimeän aineen vaikutukset näyttävät olevan paljon suuremmat. Tämä yllättävä tulos saatiin käyttäen ESO:n VLT-teleskooppia ja se antaa ymmärtää, että pimeä aine oli varhaisessa maailmankaikkeudessa vähemmän merkityksellistä kuin se on nykyään. Tutkimustulos esitettiin neljässä julkaisussa, joista yksi julkaistiin tänään julkaisusarjassa Nature.

Me näemme normaalin aineen kirkkaana loistavina tähtinä, hohtavana kaasuna ja tomupilvinä. Piilottelevampi pimeä aine sen sijaan ei säteile, absorboi tai heijasta valoa ja voidaan siten havaita vain painovoimavaikutustensa johdosta. Pimeän aineen olemassaolo voi selittää miksi läheisten spiraaligalaksien ulko-osat kiertävät galaksin keskustaa nopeammin kuin voisi olettaa, jos galaksissa olisi vain suoraan näkemäämme normaalia ainetta [1].

Reinhard Genzelin (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa) johtama kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä on nyt käyttänyt Chilessä sijaitsevan, ESO:n VLT-teleskoopin KMOS- ja SINFONI-havaintolaitteita mitatakseen kuuden massiivisen, tähtiä muodostavan galaksin pyörimistä etäisessä maailmankaikkeudessa, galaksienmuodostuksen aikakaudella 10 miljardia vuotta sitten.

Se mitä he löysivät oli kiehtovaa: toisin kuin nykymaailmankaikkeuden spiraaligalaksit, näiden etäisten galaksien ulko-osat näyttävät kiertävän hitaammin kuin keskustaa lähempänä olevat osat, mikä antaa ymmärtää, että niissä on vähemmän pimeää ainetta kuin oletettiin [3].

"Yllättäen kiertonopeudet eivät ole vakaat, vaan pienenevät mentäessä ulospäin galakseissa," kommentoi Reinhard Genzel, Nature-tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja. "Tähän on luultavasti kaksi syytä. Ensinnäkin useimpia näistä varhaisista, massiivisista galakseista hallitsee vahvasti normaali aine pimeän aineen ollessa paljon lähimaailmankaikkeutta pienemmässä roolissa. Toiseksi nämä varhaiset kiekot olivat paljon turbulenttisempia kuin kosmisessa naapurustossamme näkemämme spiraaligalaksit."

Molemmat vaikutukset näyttävät tulevan yhä merkittävämmiksi tähtitieteilijöiden katsoessa yhä kauemmas ja kauemmas ajassa varhaiseen maailmankaikkeuteen. Tämä antaa ymmärtää, että 3—4 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen galaksien kaasu oli jo tehokkaasti tiivistynyt litteiksi, pyöriviksi kiekoiksi samalla, kun niitä ympäröivät pimeän aineen halot olivat paljon suuremmat ja enemmän hajallaan. Nähtävästi pimeältä aineelta kesti lisäksi miljardeja vuosia pitempään tiivistyä, joten sen hallitseva vaikutus on nähtävissä galaksien kiekkojen pyörimisnopeuksissa vasta nykyään.

Tämä selitys on yhteensopiva havaintoihin, jotka osoittavat, että varhaisissa galakseissa oli paljon enemmän kaasua ja ne olivat tiiviimpiä kuin nykygalaksit.

Tässä tutkimuksessa kartoitetut kuusi galaksia olivat osa suurempaa sadan etäisen, tähtiä muodostavan kiekkogalaksin otosta, jota havaittiin ESO:n VLT-teleskoopin KMOS- ja SINFONI-havaintolaitteilla Paranalin observatoriolla Chilessä. Yllä kuvattujen yksittäisten galaksimittausten lisäksi koostettiin keskimääräinen rotaatiokäyrä yhdistämällä muiden galaksien vaimeammat signaalit. Tämä yhdistetty käyrä osoitti myös saman vähenevän nopeuden suuntauksen mentäessä ulospäin galaksien keskustoista. Lisäksi kaksi muuta tutkimusta 240 tähtä muodostavasta kiekkogalaksista tukevat näitä tuloksia.

Yksityiskohtainen mallintaminen osoittaa, että siinä missä normaali aine tyypillisesti koostaa keskimäärin noin puolet kaikkien galaksien kokonaismassasta, se hallitsee täysin suurimpien punasiirtymien galaksien dynamiikkaa.

Lisähuomiot

[1] Spiraaligalaksin kiekko kiertää galaksia satojen miljoonien vuosien ajanjakson kuluessa. Spiraaligalaksien ytimissä on tähtiä tiheämmässä, mutta kirkkaan aineen tiheys vähenee mentäessä niiden ulkolaitamille. Jos galaksin massa koostuisi täysin normaalista aineesta, harvempien ulko-osien pitäisi kiertää hitaammin kuin keskustan tiheämpien alueiden. Läheisten spiraaligalaksien havainnot osoittavat kuitenkin, että niiden sisä- ja ulko-osat kiertävät itse asiassa suunnilleen samalla nopeudella. Nämä "litteät rotaatiokäyrät" antavat ymmärtää, että spiraaligalakseissa täytyy olla suuria määriä näkymätöntä ainetta galaksin kiekkoa ympäröivässä pineän aineen halossa.

[2] Analysoitu havaintoaineisto otettiin Chilessä sijatisevan, ESO:n VLT-teleskoopin KMOS- ja SINFONI-yhtenäiskenttäspektrometreillä KMOS3D- ja SINS/zC-SINF -kartoitusten puitteissa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tällainen kattava tutkimus lukuisten 5 miljardia vuotta kosmista aikaa kattavan punasiirymävälin z~0.6—2.6 galaksien dynamiikasta on tehty.

[3] Tämä uusi tulos ei kyseenalaista pimeän aineen tarvetta maailmankaikkeuden perustavanlaatuisena rakenneosasena tai sen kokonaismäärää. Sen sijaan se antaa ymmärtää, että pimeä aine oli varhaisina aikoina jakaantunut eri tavalla kiekkogalakseissa ja niiden ympärillä verrattuna nykytilanteeseen.

Lisätietoa

Tätä tutkimusta on esitelty tutkimusjulkaisussa “Strongly baryon dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago”, jonka kirjoittivat R. Genzel et al. Julkaisu ilmestyy julkaisusarjassa Nature.

Tutkimusryhmään kuuluvat R. Genzel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; University of California, Berkeley, USA), N.M. Förster Schreiber (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), H. Übler (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), P. Lang (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), T. Naab (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Saksa), R. Bender (Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), L.J. Tacconi (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), E. Wisnioski (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), S.Wuyts (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; University of Bath, Bath, Iso-Britannia), T. Alexander (The Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel), A. Beifiori (Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), S.Belli (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), A.Burkert (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Saksa; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa) C.M. Carollo (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich, Switzerland), J. Chan (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), R. Davies (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), M. Fossati (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa), A. Galametz (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa), S. Genel (Center for Computational Astrophysics, New York, USA), O. Gerhard (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), D. Lutz (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa), J.T. Mendel (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa), I. Momcheva (Yale University, New Haven, USA), E.J. Nelson (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; Yale University, New Haven, USA), A. Renzini (Vicolo dell'Osservatorio 5, Padova, Italia), R. Saglia (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa; Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa), A. Sternberg (Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel), S. Tacchella (Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich, Sveitsi), K. Tadaki (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa) ja D. Wilman (Universitäts-Sternwarte Ludwig-Maximilians-Universität, München, Saksa; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa)

SO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista E-ELT -teleskooppia (European Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu 1
• Tutkimusjulkaisu 2
• Tutkimusjulkaisu 3
• Tutkimusjulkaisu 4
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

Reinhard Genzel
Director, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 30000 3280
Sähköposti: genzel@mpe.mpg.de

Natascha M. Forster Schreiber
Senior Scientist, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 30000 3524
Sähköposti: forster@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media