Саставни поглед на величанствену галаксију Центаур А, најближу активну галаксију Млечном путу. Око ове галаксије је измерено 16 сателитских галаксија, од којих се 14 чинило да леже у ротирајућој равнини, пркосећи наивном ишчекивању симулација хладне тамне материје. Кредитна слика: ЕСО / ВФИ (оптичка); МПИфР / ЕСО / АПЕКС / А.Веисс и др. (Субмиллиметре); НАСА / ЦКСЦ / ЦфА / Р.Крафт ет ал. (Рендгенски снимак).

Сателитске галаксије живе у истој равнини као и њихови домаћини, пркосећи предвиђањима тамне материје

Је ли то заиста проблем теорије? Или је физика на помоћи?

Тамна материја једна је од најмоћнијих, а опет једна од најконтроверзнијих идеја која се јавља у савременој физици. Видимо неоспорне доказе да нормална материја присутна у Универзуму, коју чине протони, неутрони и електрони, не може сама да објасни комплетан пакет гравитационих ефеката. Додавање додатног извора масе са одређеним својствима, тј. Тамне материје, доводи готово сва предвиђања гравитације у складу са оним што видимо. Ипак, једно од предвиђања тамне материје је да би се мале, патуљасте, сателитске галаксије морале формирати у великом халоу око великих галаксија. Ипак око Млечног пута, Андромеда, и сада Центаур А, они не живе у ореолу, већ на диску. Истраживачи који раде најновије истраживање тврде да је то велики изазов стандардној слици космологије хладне тамне материје (ЦДМ). Али је ли заиста? Да бисте сазнали, потребан је дубински преглед.

Детаљан поглед на Универзум открива да је сачињен од материје, а не антиматерије, да је потребна тамна материја и тамна енергија и да не знамо порекло било које од ових мистерија. Кредитна слика: Цхрис Блаке и Сам Моорфиелд.

Кад год имате теорију која је убедљива, једноставна, решава мноштво проблема, али чије се основно предвиђање може открити само индиректно, мора имати наисејере. Космичка инфлација, на пример, објашњава порекло нашег Универзума, али данас се могу видети само његови остаци. Тамна енергија савршено објашњава убрзано ширење Универзума, али није познат начин да се испита његов основни узрок. А тамна материја, фрустрирајуће, објашњава читав низ космолошких посматрања, од динамике појединих галаксија до космичке мреже великих размјера до флуктуација остатка сјаја Великог праска. Али нико никада није директно детектирао честице тамне материје. Свакако, нико се није ни приближио. Ипак, то не значи да тамна материја није стварна; то значи да морамо бити изузетно опрезни у својим анализама.

Према моделима и симулацијама, све галаксије треба да буду уграђене у ореоле тамне материје, чија густина досеже максимум у центрима галактике. Међутим, очекује се да ће бити присутан велики број субхалоских гроздова, који у себи крију минијатурне галаксије. Њихова дистрибуција треба да буде хало, а не на диску. Кредитна слика: НАСА, ЕСА, Т. Бровн и Ј. Тумлинсон (СТСцИ).

Проблем са сателитском галаксијом права је загонетка с обзиром на то да је укључено пуно замршене физике. Када покренете симулацију тамне материје, то је универзална карактеристика да током времена правите велике орезе тамне материје који се спајају заједно, што одговара великим спиралним и елиптичним галаксијама какве данас познајемо. Али окружујући их су мањи подхаломи, који се у симулацијама појављују у свим оријентацијама око веће галаксије. У пракси, међутим, мале, сателитске галаксије које стварно видимо приказују се у равнини: истој орбиталној равнини у којој се налази диск главне галаксије.

Патуљасте галаксије пронађене у орбити око Кентаура Галаксија показује јасну оријентацију у равнини галаксије, што је изазов за објашњење теорија ЦДМ-а. Кредитна слика: О. Муллер ет ал., Сциенце 359, 6375 (2018).

Штавише, док је наивно очекивање да ће ове патуљасте галаксије такође показивати случајне покрете, оно што опажамо показује значајне доказе да се ови сателити котачу са главном галаксијом. Ово је прво пронађено за Млечни пут и Андромеду, а нова истраживања показују да је то тачно и за Центаур А, а 14 од 16 откривених сателитских галаксија изгледа да се заједно окрећу заједно са централном галаксијом.

Или се нешто крије из ових халошака, нешто није у реду са симулацијама или нешто тамна материја није у потпуности урачуната. Погледајмо сваку од могућности.

Само око 1000 звезда присутно је у целокупности патуљастих галаксија Сегуе 1 и Сегуе 3, које имају гравитациону масу од 600 000 Сунца. Овде круже звезде које чине патуљасти сателит Сегуе 1. Кредитна слика: Марла Геха и Кецк Обсерваториес.

1.) Ови су хало стварни, али патуљасти сателити ван диска сувише тешки да би се видели. Проблем који недостаје сателиту је дугогодишњи проблем у космологији, јер су симулације ЦДМ-а одавно показале далеко више патуљастих галаксија око великих галаксија него што смо открили. Недавно је пронађен знатан број галактича ултра патуљака, углавном у близини. Они су близак чак и од отворених кластера звезда који се налазе у Млечном путу, а многи садрже само стотине звезда, упркос масама тамне материје у стотинама хиљада соларних маса. Међутим, то не објашњава у потпуности проблем оријентације, јер се чини да је авион стваран.

Надаље, аргумент да би се ови патуљци сакрили требао би се односити само на Млијечни пут, јер ће само његов авион замрачити сателите. Чини се да посматрање сателита Центаура А и Андромеде чини ово мировањем. Постоје аргументи о томе да ли су све посматране равни динамички стабилне у дужим временским размацима, али не чини се да мали, нестали патуљци могу објаснити неочекивано планарно поравнање.

Пројекција великих размера кроз волумен Иллустрис-а при з = 0, усредсређена на најмасивнији кластер, дубок 15 Мпц / х. Приказује густину тамне материје (лево) која прелази у густину гаса (десно). Структура свемира великих размера не може се објаснити без тамне материје, иако постоје многи покушаји модификоване гравитације. Међутим, структуре мањих размера често представљају проблеме симулацијама тамне материје. Кредитна слика: Сурадња Иллустрис / Иллустрис симулација.

2.) Симулације које предвиђају хало сличну расподјелу сателита су погрешне. Ово је потенцијално објашњење које би требало схватити врло озбиљно. У галактичкој еволуцији игра се веома велики број процеса, укључујући спајање мањих галаксија ради стварања већих, доливање материје на ове галаксије, и протоке тамне и нормалне материје дуж космичких нити. Познато је да ови филаменти функционишу као својеврсни галактички аутопут, усмеравајући мале галаксије на веће током милијарди година. Поред тога, постоје ефекти повратних информација од формирања звезда, а међусобна повезаност гаса, плазме и зрачења може играти улогу која се не узима у обзир у стандардним ЦДМ симулацијама. Хало-дистрибуција можда није генеричка карактеристика, уосталом, када се узимају у обзир сви ови други физички ефекти.

Како се види у видљивој светлости, галаксија Центаур А изгледа као комбинација галаксије којом доминирају диск и елиптична. Међутим, опажања сателита који орбитирају изазивају уобичајено објашњење ЦДМ-а, без обзира на то како га исечете. Кредитна слика: Цхристиан Волф & СкиМаппер Теам / Аустралиан Натионал Университи.

3.) Нешто није у реду са самом идејом тамне материје. Међутим, о релативном значају горе поменутих физичких ефеката топло се расправља. Као што аутори новог рада сами примећују: „Иако налазимо да се кинематика сателита [Центаурус] вероватно неће догодити случајно, то нам не омогућава одмах да донесемо закључке о његовом слагању са предвиђањима из [хладне тамне материје ] космологија. " Најсавременије симулације не успевају да репродукују оно што се опажало око галаксија попут Центаура А, Млечног Пута и Андромеде, а аутори садашњег рада тврде да ова напетост фаворизује алтернативу објашњењу тамне материје. Као што је ауторима предложено, могуће је да ови сателити излазе из историјског великог спајања две галаксије упоредиве величине. И о овоме је много расправљана, али занимљива могућност.

Спајање галаксија је уобичајено, а како време пролази, све гравитационо везане галаксије у групама и кластерима с временом ће се стопити у једну галаксију у језгру сваке везане структуре. Када дође до већих спајања, резултат је често гигантски елиптичан, али нико није сигуран шта се дешава док патуљасти сателитски галаксије иду. Кредитна слика: А. Гаи-Иам / Веизманн Инст. науке / ЕСА / НАСА.

Свака перспектива има неке доказе који јој иду у прилог, али сасвим је јасно да предвиђање хало сличне дистрибуције свих, али и најмањих сателита, није оно што нам пружа Универзум. За три велике галаксије, сада - Млечни пут, Андромеда и Центаур А - изгледа да посматрачке чињенице показују да се патуљасте сателитске галаксије појављују у равнини која окружује ове велике. Даље, постоје сугестивни докази да су ове патуљасте галаксије у покрету, заједно са ротацијом велике галаксије. Међутим, када погледате оближњи Универзум, постоји важан фактор у игри: постоје локални токови материје, и нормални и тамни, на ове галаксије. Ако постоји преференцијални правац како материја пада у ове галаксије, требао би бити преференцијални правац према патуљастим сателитима који се вежу за њих.

На слици је приказан тренутни ток галаксија - ток заједно у космичком супер-аутопуту и ​​на мосту за Девицу, у региону око Млечног пута, Андромеде и Кентавра А. Кредитна слика: 'Планови сателитских галаксија и космичка мрежа , 'Ноам Либескинд и др., 2015.

У 2015. години, тим на челу са Ноамом Либескиндом открио је тачан ефекат. "Ово је први пут да смо имали опсервациону верификацију да велики филаментарни супер путеви усмеравају патуљасте галаксије широм космоса дуж величанствених мостова тамне материје", рекао је тада Либескинд. Сада, скоро три године касније, слика се потврђује бољим подацима са још већом прецизношћу. Нема додатних индиција да је тамна материја вероватнија или мање вјеројатна него што је била раније из ове нове студије. Ипак, овај тренутни тим више скептично гледа према ЦДМ-у и склон је тражењу алтернативних објашњења, попут већих спајања, порекла сателита у авиону.

Четири сударајућа галактичка судара, која показују раздвајање између рендгенских зрака (ружичаста) и гравитационе боје (плава), што указује на тамну материју. На великим скалама ЦДМ је неопходан, али на малим скалама није успешан сам по себи као што волимо. Кредитна слика: Кс-зрака: НАСА / ЦКСЦ / УВиц. / А.Махдави и др. Оптички / Лећа: ЦФХТ / УВиц. / А. Махдави и др. (горе лево); Кс-зрака: НАСА / ЦКСЦ / УЦДавис / В.Давсон ет ал .; Оптички: НАСА / СТСцИ / УЦДавис / В.Давсон ет ал. (Горе десно); ЕСА / КСММ-Невтон / Ф. Гасталделло (ИНАФ / ИАСФ, Милано, Италија) / ЦФХТЛС (доле лево); Рендгенски снимци: НАСА, ЕСА, ЦКСЦ, М. Брадац (Калифорнијски универзитет, Санта Барбара) и С. Аллен (Универзитет Станфорд) (одоздо десно).

У интервјуу са коауторицом студије Марцел Павловски са Калифорнијског Универзитета у Ирвинеу, он је повезао следеће:

„У великим размерама, [ЦДМ] је заиста успешан. Мислим да бисмо генерално требали постати разноврснији у нашим приступима. МОНД је, са друге стране, веома успешан у предвиђању динамике малих размера. Заиста сам узбуђен због могућности које комбинују успехе оба. Сувишна тамна материја је једна таква занимљива могућност, која вам пружа велике успехе тамне материје, али такође репродукује МОНД ефекат на малим размерама. Мислим да треба даље охрабрити и истражити ове могућности. Мислим да не би требало да одустанемо од било чега, али мислим да би поље требало да следи ове алтернативне приступе. "

Међутим, баш као што откриће да су тешки елементи направљени у звездама, пре него у раном Универзуму, није поништило Велики прасак, могуће је да су обе конкурентске перспективе обе тачне. Могуће је да баријенска материја која ствара галаксију тече на галаксије филаментним путевима, да је ЦДМ одговоран за велику структуру и карактеристике универзума, а такође и да ови патуљасти сателити потичу из самих великих спајања, а не из предвиђања ЦДМ. Да је то случај, међутим, у потпуности бисмо очекивали да ће „спласхбацк“ галаксијама доминирати бариони, а не тамна материја. Занимљиво је да су патуљасте сателитске галаксије комбинација: у неким случајевима резултати се слажу са предвиђањем халоа ЦДМ-а, док у другима изгледа да превиђаји ЦДМ-а грубо прецењују масу тамне материје. Јединствени модел, који обухвата читав низ запажања, још увек нам измиче.

Различите фотографије од симулације спајања галаксија Млијечни пут и Андромеда. Када дође до већег спајања попут овог, може се догодити да се велика количина отпадног материјала разбаци, стварајући сателитске галаксије којима доминира нормална материја. Кредитна слика: НАСА, ЕСА, З. Леваи, Р. ван дер Марел, Т. Халлас и А. Меллингер.

Па ко је тачан? Како симулације постају боље додавањем додатне динамике као што су интеракције тамне материје / зрачења / нормалне материје, повратне информације о формирању звезда, локални карактеристични ефекти брзине и још много тога, оне се боље подударају са опажањима, али још увек нису савршено и сигурно не универзално. С друге стране, алтернативе тамној материји и даље трпе исте неуспехе при покушају репродукције космичког веба, космичке микроталасне позадине или динамике сударања галаксијских кластера. Међутим, важно је држати се отвореног ума све док недостају докази о пушењу за ЦДМ, а не заборавите да је ово загонетка која може рећи више о еволуцији и спајању галаксија него о тамној материји. Како каже Мицхаел Боилан-Колцхин, „резултати могу довести или до бољег разумевања формирања галаксија унутар модела [хладне тамне материје] или до гурања у свргавање њених основних претпоставки.“

Због читавог пакета својих успеха на свим нивоима, тамна материја је ту да остане, бар за сада. Међутим, формирање и еволуција галаксија, посебно на мањим и мањим размерама, остаће активно подручје истраживања са многим нерешеним загонеткама још годинама.

Стартс Витх А Банг је сада на Форбесу, а објављен је на Медиум захваљујући нашим присталицама Патреон-а. Етхан је аутор две књиге, Беионд Тхе Галаки и Трекнологи: Тхе Сциенце оф Стар Трек од Трицордерс до Варп Дриве-а.