Miért forognak a galaxisok? Ez a kérdés körülbelül 100 éve foglalkoztatja a csillagászokat, mióta kiderült, hogy az éjszakai égbolton látható ködös, örvénylő foltok valójában a Tejútrendszertől elkülönülten létező spirálgalaxisok. A szakértők végre meggyőző bizonyítékot találtak az egyik olyan hatásra, amely mozgásba hozta a galaxisokat: a kavargó gravitációs kölcsönhatásokra, amelyek még abból az időből származnak, amikor az univerzum rendkívül fiatal volt.

A galaxisok forgásának legalább egy része azokból a gravitációs hatásokból származik, amelyet a gáz- és sötétanyag-csomók gyakoroltak a szomszédos csomókra több mint 13,6 milliárd évvel ezelőtt, még az első galaxisok kialakulása előtt, számol be a kutatócsoport a Nature Astronomy című folyóiratban. A mai forgó galaxisok és az ősi kavargás közötti kapcsolat ismerete segíthet a kutatóknak abban, hogy pontosan megértsék, mi történt ebben a távoli korszakban. A kutatók meggyőzően kimutatták az ősi forgás fennmaradt nyomait, mondja Pablo López, a Córdobai Nemzeti Egyetem csillagásza, aki nem vett részt a munkában.

A nagyon korai univerzumban a sötét anyag néven ismert rejtélyes anyag nagy, halóknak nevezett csomókba kezdett összeállni. Ezeknek a halóknak a gravitációs vonzása magához húzta a gázt, ami elindította a galaxisok kialakulását. Az elméletírók évtizedek óta próbálják megmagyarázni, hogy ez a folyamat hogyan kölcsönözhetett forgást az újonnan születő galaxisoknak. Egy 1969-ből származó elképzelés szerint az ok az volt, hogy a még kialakulóban lévő halók gravitációs erővel vonzották egymást. Ha egy halo nyújtott alakú volt, vagy később megnyúlt, akkor a hatalmas szomszédhoz legközelebb eső végén erősebb vonzást fejtett ki, mint a távolabbi végén. Ez az egyenetlen vonzás – amelyet árapályerőnek neveznek – forgási impulzust, vagyis nyomatékot fejthetett ki a megnyúlt halóra, forgásba hozva azt.

Az úgynevezett „árapálynyomaték” elmélet hívei azt feltételezték, hogy ha egy haló egyszer forogni kezd, a belőle kialakult galaxisok is forogni fognak, és ez a forgás napjainkig fennmaradhatott. Mások azzal érvelnek, hogy a galaxisok növekedésének és fejlődésének kaotikus folyamata – beleértve a galaxisok közötti hatalmas számú ütközést és egyesülést – mára minden nyomot eltüntetett az ősi forgásból. López szerint manapság az a konszenzus, hogy mindkét álláspont részben igaz: a forgás nagy része az egyesülésekből származik, de a korai időkből is megmaradt egy kis mértékű forgás.

Hogy kiderítsék, igaz-e ez, Ming-Jie Sheng, a Xiamen Egyetem kutatója és csapata megpróbálta kiszámítani, hogy milyen forgás alakulhatott ki az univerzumban a környékünkön található ősi halókban. A Sloan Digital Sky Survey (SDSS) által készített helyi 3D-térképét használták, majd szimulálták a korai univerzumban azoknak a protohalóknak az eloszlását, amelyek a ma látható galaxisok elrendezését eredményezték volna. Ez az eloszlás azonban semmit sem árul el a protohalók alakjáról és tájolásáról, ezért a kutatócsoport úgy oldotta meg a problémát, hogy magukat az árapályerőket használta a protohalók alakjának helyettesítőjeként.

„Korábbi szimulációs munkánkban kimutattuk, hogy ez a közelítés rendkívül jól reprodukálja a forgásirányt, ezért bíztunk abban, hogy alkalmazhatjuk a megfigyelésekre” – mondja Hao-Ran Yu, a csapat tagja. Eduard Salvador Solé, a Barcelonai Egyetem obszervációs kozmológusa egyetért ezzel: „Ez az empirikus közelítés nem jelent alapvető problémát, és a levont következtetések minden bizonnyal helytállóak.”

Miután szimulálták az ősi forgásirányokat és -nagyságokat az éjszakai égbolton, a csapat megvizsgálta, hogy a lokális univerzumban található galaxisok még mindig illeszkednek-e ehhez a mintához. Ehhez egy másik SDSS-felmérés adatait használták fel, amely képes volt kimutatni a galaxisokon belüli csillagok és gázok által kibocsátott fény hullámhosszainak eltolódásait, feltárva, milyen gyorsan közelednek felénk vagy távolodnak tőlünk. Ez lehetővé tette a kutatók számára, hogy több mint 1600 galaxis forgási sebességét becsüljék meg. A nagy minta elengedhetetlen volt, mondja Yu, mivel az ősi jel az egyes galaxisok esetében rendkívül gyenge.

A kutatócsoport által a lokális univerzumban megfigyelt forgási mintázat nagyon jól egyezett az ősi előrejelzéssel, olyan mértékben, hogy rendkívül valószínűtlen, hogy ez statisztikai véletlen lenne. „Eredményeink erős megfigyelési bizonyítékot nyújtanak arra, hogy az ősi árapálynyomatékok mérhető nyomot hagytak a mai galaxisok forgásán” – mondja Yu. Úgy tűnik azonban, hogy a mai forgásnak csupán körülbelül 13%-a származik a korai univerzumból.

Ue-Li Pen, a Torontói Egyetem kutatásban résztvevő szakértője reméli, hogy ha az eredményt megerősítik, ez a közvetlen kapcsolat a mai galaxisok forgása és a korai univerzum tömegeloszlása között segíthet a csillagászoknak más, nehezen megfogható kozmológiai paraméterek, például a neutrínók tömegének kiderítésében is. „Kiderült, hogy a neutrínók is árapály-nyomatékot gyakorolnak az anyagra, és ennek mértéke a neutrínó tömegétől függ” – mondja Pen. „Reméljük, hogy ez új, meglehetősen közvetlen módszereket kínál olyan dolgok gravitációs hatásának mérésére, amelyeket egyébként nagyon nehéz észlelni.”