Hvorfor er mørk materie-glorier fra ultradiffuse galakser så merkelige?

En studie ledet av fysikere ved UC Riverside og UC Irvine har funnet ut at mørk materie-haloer i ultradiffuse galakser er veldig merkelige, og reiser spørsmål om fysikeres forståelse av galaksedannelse og universets struktur.

Ultradiffuse galakser kalles så på grunn av deres ekstremt lave lysstyrke. Fordelingen av baryoner – gass og stjerner – er mye mer spredt i ultradiffuse galakser sammenlignet med “normale” galakser med lignende masse.

I følgende spørsmål og svar deler Hai-Bo Yu, en førsteamanuensis i fysikk og astronomi ved UCR, sine tanker om funnene han og UCIs Manoj Kaplinghat, hans langsiktige samarbeidspartner, har publisert i The Astrophysical Journal om nyoppdagede ultradiffuse galakser og deres mørk materie glorier.

Yu og Kaplinghat fikk selskap i forskningen av Demao Kong fra Tufts University, og Filippo Fraternali og Pavel E. Mancera Piña fra University of Groningen i Nederland. Førsteforfatter Kong blir med i UCR denne høsten.

Sp. Hva er en mørk materie-glorie?

EN mørk materie halo er glorie av usynlig materie som gjennomsyrer og omgir en galakse eller en klynge av galakser. Selv om mørk materie aldri har blitt oppdaget i laboratorier, er fysikere sikre på at mørk materie, som utgjør 85 % av universets materie, eksisterer.

Spørsmål. Du har funnet ut at mørk materie-haloer i de ultradiffuse galaksene er veldig merkelige. Hva er rart med dem og hva sammenligner du dem med?

De ultradiffuse galaksene vi studerte er mye mindre massive sammenlignet med for eksempel Melkeveien. De inneholder imidlertid mye gass, og de har mye høyere gassmasse enn total stjernemasse, som er motsatt av det vi ser i Melkeveien. De ultradiffuse galaksene har også store størrelser.

Fordelingen av mørk materie i disse galaksene kan utledes fra bevegelsen til gasspartikler. Det som virkelig overrasker oss er at tilstedeværelsen av baryonisk materie seg selv, hovedsakelig i form av gass, er nesten tilstrekkelig til å forklare den målte hastigheten til gasspartikler og gir lite rom for mørk materie i de indre områdene, der de fleste stjernene og gassen befinner seg.

Dette er veldig overraskende fordi når det gjelder normale galakser, hvis masse er lik massene til de ultradiffuse galaksene, er det motsatt: Mørk materie dominerer over baryonisk materie. For å imøtekomme dette resultatet, konkluderer vi med at disse mørk materie-haloene må ha mye lavere “konsentrasjoner”. Det vil si at de inneholder mye mindre masse i sine indre områder, sammenlignet med normale galakser. I denne forstand er mørk materie-haloer i de ultradiffuse galaksene “rare”.

Ved første øyekast kan man forvente at slike lavkonsentrasjonsglorier er så sjeldne at de ultradiffuse galaksene ikke en gang ville eksistere. Etter å ha sett på dataene fra toppmoderne numeriske simuleringer av kosmisk strukturdannelse, fant vi imidlertid at populasjonen av lavkonsentrasjonshaloer er høyere enn forventningene.

Sp. Hva var involvert i studien?

Dette er et samarbeidsarbeid. Filippo Fraternali og hans student Pavel E. Mancera Piña er eksperter på gassdynamikk i galakser. De oppdaget at de ultradiffuse galaksene roterer langsommere enn vanlige galakser med lignende masse. Vi jobbet sammen for å tolke måledata for gassbevegelsen til disse galaksene og utlede deres distribusjon av mørk materie. Videre analyserte vi data fra simuleringer av kosmisk strukturdannelse og identifiserte glorier av mørk materie som har lignende egenskaper som de som er utledet fra de ultradiffuse galaksene.

Q. Funnene dine reiser spørsmål om vår forståelse av galaksedannelse/strukturdannelse av universet. Hvordan?

Vi har mange spørsmål angående dannelsen og utviklingen av disse nyoppdagede galaksene. For eksempel inneholder de ultradiffuse galaksene mye gass og vi vet ikke hvordan denne gassen holdes tilbake under galaksedannelse. Videre indikerer resultatene våre at disse galaksene kan være yngre enn normale galakser. Dannelsen av de ultradiffuse galaksene er ikke godt forstått, og mer arbeid er nødvendig.

Q. Hva gjør ultradiffuse galakser så interessante?

Dette er fantastiske objekter å studere på grunn av deres overraskende egenskaper, som diskutert i vårt arbeid. De nylig oppdagede ultradiffuse galaksene gir et nytt vindu for ytterligere å teste vår forståelse av galaksedannelse, sannsynligvis til og med naturen til mørk materie.

---

---