Foto 1   NGC 1052-DF2 

La aproximativ 60 de milioane de ani lumină de Pământ o pereche de galaxii ciudate provoacă printre astronomi o adevărată agitație cosmică

Aceste universuri insulare dețin mult mai puține stele decât o galaxie medie, dar nu lipsa de stele îi surprinde pe cercetători, galaxiile bizare, numite NGC 1052-DF2 și NGC 1052-DF4, par să fie lipsite de orice cantitate semnificativă de materie întunecată. Deoarece acestea ar putea fi primele galaxii fără dark matter (care reprezintă 85% din materia universului), vestea descoperirii DF2 din 2018 s-a răspândit rapid în întreaga comunitate astronomică. Dacă vor fi confirmate, astfel de galaxii fără materie întunecată ar reprezenta o cheie pentru înțelegerea modului în care se formează și evoluează galaxiile.

„Am crezut că fiecare galaxie conține materie întunecată”, a spus într-un comunicat de presă astrofizicianul Pieter van Dokkum de la Universitatea Yale, autor principal al lucrării inițiale despre DF2. „Această substanță invizibilă și misterioasă este cel mai dominant aspect al oricărei galaxii. Așadar, găsirea unei galaxii fără de ea este neașteptată. Provoacă ideile standard despre modul în care credem că funcționează galaxiile și arată că materia întunecată este reală: are propria sa existență separată față de alte componente ale galaxiilor. ”

Dar, după cum îi plăcea să spună lui Carl Sagan, extraordinary claims require extraordinary evidence căci, potrivit unor cercetători, dovezile în favoarea acestor galaxii cu deficit de materie întunecată nu se susțin.

Ce este DF2?

DF2, prima galaxie cunoscută presupusă lipsită de materie întunecată, este un membru al unei clase unice de galaxii numite galaxii ultra-difuze (UDG). Deși UDG-urile pot crește la fel de mari precum Calea Lactee, aceste spectre tulburi conțin de sute până la mii de ori mai puține stele. Și pentru că sunt în esență transparente, astronomilor le este extrem de dificil de observat în detaliu.

Foto 2 Această galaxie mare, cu aspect fuzzy, este atât de difuză încât astronomii o numesc o galaxie „transparentă”, deoarece pot vedea în mod clar galaxii îndepărtate în spatele ei.

Absolut inofensivă DF2 s-a remarcat pentru prima dată cercetătorilor atunci când au identificat-o folosind Dragonfly Telephoto Array. Această colecție robotică de teleobiective Canon 400mm se combină pentru a crea un instrument care este deosebit de abil în imagistica structurilor expansive și extrem de slabe. Când cercetătorii au observat DF2 cu Dragonfly, au observat că galaxia arăta diferit decât în ​​imaginile realizate cu Sloan Digital Sky Survey (SDSS). În imaginile Dragonfly, DF2 arăta ca o pată de lumină slabă și difuză, dar în imaginile SDSS, a apărut ca un grup de surse asemănătoare punctelor.

Pentru a investiga această discrepanță, echipa lui van Dokkum a continuat să observe DF2 folosind camera avansată pentru sondaje de pe telescopul spațial Hubble și a efectuat observații spectroscopice de urmărire cu telescopul Keck.

„Am petrecut o oră uitându-mă doar la imaginea Hubble”, a spus van Dokkum. „Este atât de rar, mai ales în zilele noastre după atâția ani de Hubble, să ai o imagine despre ceva și să spui:„ Nu am mai văzut asta până acum. Acest lucru este uimitor – o pată gigantică prin care poți să te uiți. Este atât de rară încât se ved toate galaxiile din spatele ei. Este literalmente o galaxie transparentă ”.

Folosind datele Hubble, van Dokkum și echipa sa au măsurat fluctuațiile de luminozitate ale suprafeței galaxiei, care este un rudimentar indicator de distanță pe baza faptului că galaxiile mai îndepărtate apar mai uniform în luminozitate. Din aceasta, cercetătorii au calculat că DF2 este situată la aproximativ 65 de milioane de ani lumină distanță.

Apoi, pe baza datelor Keck, echipa lui van Dokkum a identificat grupuri globulare (grupuri sferice mari de stele vechi) în cadrul DF2. În mod surprinzător, au descoperit că grupurile globulare se mișcau în ritm de melc în comparație cu ceea ce am vedea dacă galaxia ar fi plină de materie întunecată. Dacă DF2 ar avea mai multă materie întunecată, spune van Dokkum, atracția gravitațională crescută ar face ca aceste grupuri să se miște de trei ori mai repede decât o fac.

Foto 3  Galaxiile cu materie întunecată. În galaxiile difuze, grupurile de stele globulare de obicei nu orbitează în jurul galaxiilor lor pe căi circulare, așa cum fac în galaxiile spirale. În schimb, au o gamă de orbite radiale care le poartă în orice sens. Dacă materia întunecată domină o galaxie difuză, globulele din interiorul acesteia ar trebui să se miște relativ repede, așa cum se vede mai sus.

Realizarea faptului că DF2 pare să aibă foarte puțină materie întunecată i-a luat pe cercetători prin surprindere, deoarece este prima galaxie găsită lipsită de materialul omniprezent. „Nu există nici o teorie care să prezică aceste tipuri de galaxii. Galaxia este un mister complet, întrucât totul este ciudat ”, a spus van Dokkum. „Cum se procedează efectiv la formarea unuia dintre aceste lucruri este complet necunoscut.”

Cu toate acestea, nu toată lumea este de acord că DF2 îi lipsește materia întunecată.

Polemici

„Ceea ce mi-a atras atenția a fost faptul că galaxia nu era doar anormală pentru că nu avea materie întunecată, ci și pentru că avea o populație extraordinar de strălucitoare de grupuri globulare”, spune Ignacio Trujillo de la Instituto de Astrofísica de Canarias, care a condus studiul principal privind natura bizară a DF2. „Îmi amintesc că m-am gândit:„ Două anomalii în același timp par într-adevăr ciudate. ”Acest lucru l-a determinat pe Trujillo să ia în considerare dacă DF2 este într-adevăr la fel de îndepărtat pe cât crede echipa lui van Dokkum.

Dacă DF2 ar fi la aproximativ 65 de milioane de ani lumină distanță, așa cum suspectează van Dokkum, atunci ar fi un candidat puternic pentru primul exemplu de galaxie fără materie întunecată. Dar Trujillo spune că, dacă DF2 este mai aproape, proprietățile observate ale galaxiei s-ar apropia din ce în ce mai mult cu ceea ce se așteaptă de la o galaxie tipică, dominată de materia întunecată.

Pentru a-și testa teoria, Trujillo și echipa sa au pornit să determine în mod independent distanța până la DF2 folosind cinci metode diferite – toate cu grade diferite de precizie.

Două dintre metode s-au bazat pe analiza strălucirii și dimensiunilor grupurilor globulare DF2. Dacă DF2 este mai aproape decât se credea inițial, atunci grupurile globulare ale galaxiei nu ar mai fi atât de ciudat de mari și luminoase. Echipa Trujillo a comparat, de asemenea, proprietățile DF2 cu o galaxie similară, numită DD044, care are o estimare a distanței mai fiabilă, precum și recalcularea distanței DF2 utilizând aceeași metodă de fluctuație a luminozității suprafeței (cu calibrări diferite) ca și echipa lui van Dokkum.

În cele din urmă, echipa lui Trujillo a analizat vârful ramurii gigantei roșii (TRGB) în diagrama culoare-magnitudine a DF2, care trasează temperaturile de suprafață și luminozitățile stelelor dintr-o galaxie. Deoarece cele mai strălucitoare stele roșii gigant strălucesc cu aceeași strălucire în lumina infraroșie, singurul lucru care ar trebui să aibă un impact dramatic asupra cât de strălucitoare ni se pare este distanța lor. Deci, identificând cât de strălucitoare arată stelele de pe TRGB pentru o anumită galaxie, cercetătorii pot înțelege cât de departe este galaxia.

„Acesta este, de departe, cel mai precis mod de a măsura distanța până la galaxie dacă datele au o calitate bună”, spune Trujillo. Pe baza tuturor celor cinci metode, Trujillo și echipa sa au stabilit că DF2 este probabil la doar aproximativ 42 de milioane de ani lumină distanță, mai degrabă decât la aproximativ 65 de milioane de ani-lumină distanță. Acest lucru, susține Trujillo, ar însemna că DF2 nu este chiar atât de ciudată pe cât se credea inițial și adăpostește la fel de multă materie întunecată pe cât v-ați aștepta de la o galaxie medie.

Foto 4  Clusterul Bullet exemplifică modul în care materia întunecată este o substanță separabilă. În timp ce două grupuri de galaxii gigantice s-au ciocnit, materia normală (roz) a fost prinsă între nori care nu interacționează de materie întunecată (albastru).

Dar van Dokkum nu este convins cu această determinare a distanței.

În august 2018, echipa sa a publicat încă o lucrare ca răspuns. În ea, ei susțin că „cinci„ măsurători independente ”ale lui Trujillo sunt un pic înșelătoare”. De exemplu, Van Dokkum spune că „trei dintre ele sunt circulare, în sensul că autorii susțin că proprietățile galaxiei ar fi mai puțin ciudate dacă ar fi la o distanță mai apropiată”. În plus, susține van Dokkum, Trujillo și-a bazat cea mai convingătoare estimare a distanței pe un TRGB „fantomă” care este aproape de două ori mai luminos decât adevăratul TRGB al galaxiei. Acest lucru, spune Van Dokkum, a condus echipa lui Trujillo să calculeze o distanță până la DF2 care este doar cu aproximativ 70% din valoarea reală.

După ce au arătat de ce cred că distanța mai mică până la DF2 stabilită de Trujillo se datorează confuziei din datele TRGB – unde mai multe stele au fost numărate împreună ca un singur gigant roșu strălucitor – echipa lui van Dokkum a continuat să ofere o nouă măsurare a distanței către DF2 despre care susțin că este independentă incertitudinilor de calibrare. Rezultatul lor: DF2 este la aproximativ 61 de milioane de ani lumină distanță, ceea ce ar însemna că DF2 are, într-adevăr, o cantitate neglijabilă de materie întunecată.

Dar DF4?

Dar dezbaterea nu s-a oprit aici.

După această polemică academică, van Dokkum și echipa sa au găsit o a doua galaxie, DF4, care este aproape o clonă a DF2 în ceea ce privește dimensiunea, luminozitatea suprafeței, morfologia, locația și distanța. Dar, cel mai important, DF4 are, de asemenea, o lipsă aparentă de materie întunecată.

Foto 5  Pentru a determina cât de repede se deplasează clusterele globulare în DF4, cercetătorii au analizat liniile de absorbție găsite în spectrul fiecărui cluster globular. Acest lucru a dezvăluit indicii despre mișcările grupurilor, iar cercetătorii au folosit apoi aceste informații pentru a calcula masa globală a galaxiei. Observatorul Gemeni / NSF / AURA / W.M. Observatorul Keck / Jen Miller / Joy Pollard

Folosind Telescopul Keck pentru a măsura mișcarea și viteza gazului difuz DF4, precum și șapte dintre grupurile sale globulare, echipa lui Van Dokkum a calculat că distanța DF4 este similară cu DF2 – situându-se la aproximativ 65 de milioane de ani lumină distanță, cu o aproximație de 9 milioane de ani lumină.

„Concluzionăm că NGC 1052-DF2 nu este un caz izolat, ci că există o clasă de astfel de obiecte”, a scris echipa lui Van Dokkum în lucrarea despre descoperirea DF4. „Originea acestor galaxii mari, cu un exces de ciorchini globulari luminoși și o lipsă aparentă de materie întunecată nu este, în prezent, înțeleasă.”

Dar, din nou, Trujillo și echipa sa și-au făcut propriile calcule privid distanța față de DF4. Pe baza datelor disponibile la acea vreme de la telescopul Hubble, aceștia au identificat ceea ce cred că este TRGB-ul DF4. Acest lucru i-a determinat să concluzioneze că DF4 este la aproximativ 46 de milioane de ani lumină distanță, ceea ce ar însemna că grupurile sale globulare nu sunt de fapt atât de ciudate și, în schimb, sunt destul de asemănătoare cu cele găsite în Calea Lactee și în alte părți.

„Una peste alta”, a concluzionat echipa lui Trujillo în lucrarea de răspuns, „concluzia conform căreia atât NGC 1052-DF2, cât și NGC 1052-DF4 sunt lipsite de materie întunecată „este încă departe de a fi tranșată definitiv!”.

Hubble aruncă încă o privire

În vara anului 2019, pentru a determina dacă echipa lui Trujillo a identificat adevăratul TRGB al lui DF4, grupul lui van Dokkum a folosit ochiul ager al lui Hubble pentru a colecta imagini noi și profunde ale DF4. Pe 16 octombrie, au postat o altă lucrare, care a fost trimisă către The Astrophysical Journal Letters, pe site-ul de preimprimare arXiv. Pe baza noilor date Hubble, care au preluat multe alte stele mult mai slabe, revista susține că, din nou, Trujillo a supralicitat făcând estimarea pe baza unor TRGB, cele mai strălucitoare stele gigantice roșii ale DF4, ceea ce a condus la rezultate eronate.

„În noile date, într-adevăr nu există nici o ambiguitate”, spune autorul studiului Shany Danieli din Yale, care este colega lui Van Dokkum. „Credem că noile date exclud într-adevăr opțiunea [de distanțe mai scurte].”

Foto 6  Stelele din vârful ramurii uriașe roșii (încercuite în roșu) toate strălucesc cu aproape aceeași strălucire intrinsecă atunci când sunt privite într-o anumită bandă de lumină, în ciuda diferențelor în compoziția sau masa lor. Deci, dacă măsurați cât de strălucitoare apar aceste stele, puteți obține o estimare bună a distanței lor. Astronomie: Roen Kelly

„Cred că acest lucru este definitiv”, spune van Dokkum. „TRGB nu poate fi un argument, studiul este bazat de o fizică stelară bine înțeleasă și [este] la fel de clar pe cât sunt și indicatorii de distanță”.

Dar, după ce a analizat noua cercetare, Trujillo este încă dubios cu privire la concluzia studiului. „În acest moment, rămân extrem de sceptic cu privire la rezultatul lor pe o distanță lungă pentru DF4″, spune Trujillo. „Primul lucru pe care trebuie să-l rețineți este că această lucrare încă nu a fost [acceptată] de către arbitraj și / sau jurnal,” explică el. „A fost trimisă doar; prin urmare, se pot aștepta schimbări suplimentare ale conținutului său după o lectură atentă făcută de arbitraj. ”

Apoi, se pune și problema modului în care tabăra lui van Dokkum a selectat care dintre stelele lui DF4 ar fi incluse în analiza lor TRGB, care este încă un alt punct de dispută. „Cred că există o serie de alegeri [grupul lui van Dokkum] pe care le-au folosit, care nu au fost justificate”, spune Trujillo. „Toate aceste alegeri par a fi selectate pentru a favoriza o distanță mai mare decât ceea ce sugerează datele.”

O astfel de alegere, explică Trujillo, este că reducerile de calitate folosite de echipa van Dokkum pentru a alege care stele au fost incluse în analiza lor par să ignore multe stele. Un alt lucru, adaugă el, este că echipa lui van Dokkum a făcut „o preselecție a stelelor lor pe baza culorilor” și nu explică de ce sau cum afectează rezultatul lor. Ambele alegeri, spune Trujillo, ar putea avea un impact semnificativ asupra distanței derivate de DF4.

Ce urmeaza?

Așadar, în această etapă, răspunsul dacă DF2 și DF4 au sau nu materie întunecată este încă în mare parte în aer. O nouă cercetare publicată pe 25 noiembrie în Nature Astronomy a raportat descoperirea a 19 galaxii pitice care, de asemenea, par să aibă lipsuri mari la capitolul dark matter. 

Cu toate acestea, indiferent de ce se întâmplă cu aceste galaxii fără materie întunecată, van Dokkum spune: „Un punct de vedere mai general este că acestea sunt galaxii fascinante și toate aspectele descoperirilor noastre ar trebui cu siguranță să fie puse la îndoială și examinate”.

Așadar, dacă aceste ultime rezultate vor ține cont de examinarea care va veni probabil curând, atunci găsirea galaxiilor lipsite de materie întunecată ne-ar schimba complet înțelegerea modului în care credem că se formează și evoluează galaxiile.

„În acest moment, credem că galaxiile încep cu materia întunecată, așa cum sunt capabile să atragă gravitațional cantitățile masive de gaz și praf necesare pentru a începe formarea stelelor, spune van Dokkum.

„Problema este că nu avem nici o idee despre cum ar continua formarea stelelor în absența materiei întunecate”, spune van Dokkum. „Tot ce putem spune este că trebuie să fi existat gaz foarte dens la începutul istoriei lor”, altfel, galaxiile fără materie întunecată nu ar putea crea stele noi.

Dar este această ultimă determinare a distanței până la DF4 suficient de robustă pentru a începe explorarea implicațiilor găsirii unei galaxii fără materie întunecată?

„Da, asta este speranța noastră. Ne-ar plăcea să începem să gândim ce înseamnă aceste galaxii, mai degrabă decât să speculăm dacă măsurătorile noastre au fost corecte ”, spune Danieli.

Foto 7  Roberto Abraham (extrem stânga) de la Universitatea din Toronto, Pieter van Dokkum (extrem dreapta) de la Universitatea Yale și echipa lor de studenți din Toronto și Yale pozează cu jumătate din 48-lens Dragonfly Telephoto Array din New Mexico. Credit: Universitatea din Toronto

Acestea fiind spuse, a adăugat, suntem pe deplin de acord cu toată lumea că:

 extraordinary claims require extraordinary evidence.

                                                                ***

Surse: