Komunikat prasowy

Ciemna materia mniej wpływowa we wczesnym Wszechświecie

Obserwacje odległych galaktyk przy pomocy VLT sugerują, że dominowała w nich zwykła materia

15 marca 2017

Nowe obserwacje wskazują, że masywne, gwiazdotwórcze galaktyki ze szczytowej epoki powstawania galaktyk, 10 miliardów lat temu, były zdominowane przez materię barionową (czyli „zwykłą”). Kontrastuje to z dzisiejszymi galaktykami, w których efekty od tajemniczej ciemnej materii wydają się znacznie większe. Ten zaskakujący rezultat został uzyskany przy pomocy należącego do ESO teleskopu VLT. Sugeruje, że ciemna materia była mniej wpływowa we wczesnym Wszechświecie niż obecnie. Badania naukowe zaprezentowano w czterech publikacjach, z których jedną zamieszczono dzisiaj w czasopiśmie „Nature”.

Zwykłą materię widzimy jako jasno świecące gwiazdy, gaz i obłoki pyłu. Ale bardziej nieuchwytna ciemna materia nie emituje, nie absorbuje, ani nie odbija światła i można ją zaobserwować jedynie poprzez efekty grawitacyjne. Istnienie ciemnej materii może wyjaśnić dlaczego zewnętrzne części pobliskich galaktyk spiralnych rotują szybciej niż oczekiwałoby się, gdyby występowała tylko materia, którą widzimy bezpośrednio [1].

Międzynarodowy zespół astronomów kierowany przez Reinharda Genzela z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics w Garching (Niemcy) użył instrumentów KMOS i SINFONI na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Chile [2] do zmierzenia rotacji sześciu masywnych, gwiazdotwórczych galaktyk w odległym Wszechświecie, w szczytowym okresie formowania się galaktyk 10 miliardów lat temu.

To co badacze odkryli, jest intrygujące: w przeciwieństwie do galaktyk we współczesnym Wszechświecie, zewnętrzne rejony odległych galaktyk wydają się rotować wolniej, aniżeli obszary bliżej jądra — co sugeruje, że jest tam mniej ciemnej materii niż oczekiwano [3].

„Zaskakująco, prędkości rotacji nie są stałe, ale maleją z rosnącą odległością w galaktykach”, komentuje Reinhard Genzel, pierwszy autor publikacji w „Nature”. „Prawdopodobnie są ku temu dwa powody. Po pierwsze, większość tych wczesnych masywnych galaktyk jet silnie zdominowana przez zwykłą materię, z ciemną materią odgrywającą znacznie mniejszą rolę niż w Lokalnym Wszechświecie. Po drugie, wczesne dyski były znacznie bardziej turbulentne niż galaktyki spiralne, które widzimy w naszym kosmicznym sąsiedztwie.”

Oba efekty wydają się bardziej znaczące, gdy astronomowie patrzą coraz dalej w czasie, we wczesny Wszechświat. Sugeruje to, że od 3 do 4 miliardów lat po Wielkim Wybuchu gaz w galaktykach był już wystarczająco skondensowany w płaskie, rotujące dyski, podczas gdy otaczające je halo ciemnej materii było znacznie większe i bardziej rozproszone. Najwyraźniej zajęło kolejne miliardy lat zanim ciemna materia także się skupiła i jej dominujący efekt jest widoczny tylko w prędkościach rotacji dzisiejszych dysków galaktycznych.

Wyjaśnienie to jest zgodne z obserwacjami pokazującymi, że wczesne galaktyki były znacznie bogatsze w gaz i bardziej zwarte niż współczesne.

Sześć galaktyk, dla których wykonano mapy w opisywanych badaniach, było częścią większej próbki setek odległych, gwiazdotwórczych dysków sfotografowanych przy pomocy instrumentów KMOS i SINFONI na należącym do ESO teleskopie VLT w Obserwatorium Paranal w Chile. Dodatkowo do indywidualnych pomiarów galaktyk opisanych powyżej, utworzono także średnią krzywą rotacji poprzez połączenie słabszych sygnałów od innych galaktyk. Tak złożona krzywa także pokazuje taki sam trend spadku prędkości w stronę od centrów galaktyk. Na dodatek, dwa kolejne badania 240 dysków gwiazdotwórczych wspierają ten wnioski.

Szczegółowe modelowanie pokazuje, że gdy zwykła materia typowo odpowiada za około połowę całkowitej masy wszystkich galaktyk (średnio), całkowicie zdominowuje dynamikę galaktyk o najwyższych przesunięciach ku czerwieni.

Uwagi

[1] Dysk galaktyki spiralnej rotuje w skalach czasowych setek milionów lat. Jądra galaktyk spiralnych mają dużą koncentrację gwiazd, ale gęstość jasnej materii spada w kierunku ich obrzeży. Jeśli masa galaktyki składa się w całości ze zwykłej materii, wtedy rzadsze obszary zewnętrzne powinny obracać się wolniej niż gęste rejony w centrum. Ale obserwacje pobliskich galaktyk spiralnych pokazują, że ich wewnętrzne i zewnętrzne części rotują mniej więcej z taką samą prędkością. Te „płaskie krzywe rotacji” wskazują, że galaktyki spiralne muszą zawierać wielkie ilości nieświecącej materii w halo ciemnej materii otaczającym dysk galaktyczny.

[2] Analizowane dane zostały uzyskane przy pomocy spektrometrów KMOS i SINFONI na należącym do ESO teleskopie VLT w Chile w ramach sieci przeglądów KMOS3D i SINS/zC-SINF. Po raz pierwszy przeprowadzono tego typu obszerne badania dynamiki wielkiej liczby galaktyk położonych w zakresie przesunięć ku czerwieni od z ~ 0,6 do 2,6 lub 5 miliardów lat w kosmicznej skali czasu.

[3] Ten nowy wynik nie poddaje w wątpliwość potrzeby istnienia ciemnej materii jako fundamentalnego składnika Wszechświata lub całkowitej jego ilości. Raczej sugeruje, ze ciemna materia była inaczej rozmieszczona w i wokół dysków galaktyk we wczesnych czasach w porównaniu do dnia obecnego.

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule pt. „Strongly baryon dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago”, R. Genzel et al., który ukaże się w czasopiśmie „Nature”.

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

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop E-ELT (European Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa 1
• Publikacja naukowa 2
• Publikacja naukowa 3
• Publikacja naukowa 4
• Zdjęcia teleskopu VLT

Kontakt

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

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

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych

Jest to tłumaczenie Komunikatu prasowego ESO eso1709