A Dragonfly 44 egyike azon hatalmas, de nagyon halvány galaxisok egyre növekvő csoportjának, amelyek arra késztetik a csillagászokat, hogy új elméleteket dolgozzanak ki a galaktikus evolúcióval kapcsolatban. A galaxis létezéséről 2016-ban adott hírt Pieter van Dokkum, a Yale Egyetem csillagásza, aki társaival szenzációs tanulmányt tett közzé. Ebben egy halvány, ugyanakkor nagy és nehéz galaxis felfedezéséről írtak.
De nem is ez volt az igazi szenzáció, hanem hogy véleményük szerint a Dragonfly 44 névre keresztelt galaxis 99,99%-ban sötét anyagból áll.
A furcsa rendszerről rögtön heves vita alakult ki, amely máig nem zárult le. Időközben ráadásul több mint ezer hasonlóan nagy, de nagyon halvány galaxist azonosítottak a szakértők. A Dragonfly 44-et és hasonszőrű ultradiffúz galaxisoknak (UDG) nevezik. Bár ezek mérete elérheti a „közönséges” galaxisokét, az UDG-k annyira halványak, hogy az égbolt távcsöves felmérése során komoly nehézséget jelent, hogy a zajjal együtt nehogy ezeket a rendszereket is kiszűrjék, mondja Paul Bennet, a baltimore-i Space Telescope Science Institute csillagásza.
Úgy tűnik ugyanis, hogy az UDG-kből hiányzik az fényes gáz, amely más galaxisokban bőségesen megtalálható, és amelyből az új csillagok formálódnak. Az UDG-ben ehelyett csak egy idős csillagokból álló „váz” maradt meg, amelyet mintha megfosztottak volna minden fiatalabb elemtől.
Az UDG-k létezése komoly problémát jelent a galaktikus evolúciós elmélet számára, a jelenleg elfogadott teória ugyanis nem ad magyarázatot ezekre. Az ilyen rendszerek nem jelennek meg a szimulációkban, és minden jel szerint valami egészen más kell ahhoz, hogy egy ilyen galaxis létrejöjjön, mint amivel a szakértők eddig számoltak, mondja van Dokkum. Ennek nyomán egészen vad új elméletek is megjelentek annak magyarázatára, hogyan jöhetett létre a Dragonfly 44 és más UDG-k. És ezek alapján az óriási, elmosódott fényfoltok a láthatatlan sötét anyag természetével kapcsolatban is újabb bizonyítékot szolgáltathatnak.
Túl sok a sötét anyag?
Ahogy a gravitáció nyomán a kozmikus gáz összehúzódik, a kombinálódó energiák és impulzusok hatására a formálódó anyag felfúvódik és forogni kezd, vagyis egy galaxis jön létre. Ezzel a modellel azonban van egy kis probléma: amilyen ütemben az ismert galaxisok forognak, szét kellene esniük. A tömegük és ezzel a gravitációjuk túl alacsony ahhoz, hogy egyben maradjanak. A hiányzó gravitáció magyarázatára dolgozták ki a szakértők a sötét anyag elméletét.
Ennek értelmében a galaxisok egy látható anyaguknál kiterjedtebb, láthatatlan halóban ülnek, amely átszövi és összetartja látható anyagukat is.
A galaxisok forgási sebességét, és ebből adódó sötétanyag-tartalmát egyebek mellett a gömbhalmazok megszámlálásával lehet megbecsülni. Bennett elmondása szerint bár egyelőre senki sem tudja, hogy miért van így, a gömbhalmazok száma minden jel szerint szorosan korrelál ezekkel a nehezebben mérhető mutatókkal. Egy 2016-os tanulmányban van Dokkum és társai 94 gömbhalmazról számolnak be a Dragonfly 44 belsejében. Ez a szám pedig egy rendkívüli méretű sötétanyag-halóra utal, annak ellenére, hogy a galaxisnak milyen kevés látható anyaga van.
Hasonlót korábban senki sem látott. Van Dokkum és szerzőtársai elmélete szerint a Dragonfly 44 egy „félresikerült” Tejútrendszer lehet, vagyis egy olyan galaxis, amelynek a Tejútrendszeréhez hasonló nagyságú sötétanyag-halója van, viszont fejlődése korai szakaszában valamilyen esemény nyomán megfosztatott a csillagképző gáztól. Így csak az öregedő csillagok és az óriási haló maradt meg belőle.
Vagy nincs is sötét anyag?
A galaxis a csillagászok egy másik táborának érdeklődését is felkeltette, akik szerint a sötét anyag egyáltalán nem is létezik.
Ezek a kutatók a galaxisok hiányzó gravitációját Newton gravitációs törvényének módosításával magyarázzák, amit módosított newtoni dinamikának, avagy MOND-nak neveznek.
A MOND szerint az egyes galaxisok módosított gravitációja a csillagok tömeg-sugárzás arányából számítható ki, vagyis a csillagok össztömegét a fényességükkel kell elosztani. A MOND teoretikusai azt nem fejtegetik, hogy a gravitáció miért függ ettől az aránytól, de képletük megfelel a legtöbb galaxis megfigyelt forgási sebességének, anélkül, hogy a sötét anyagot be kellene vonni a képbe.
Amikor a Dragonfly 44-nek híre ment, Stacy McGaugh, a MOND egyik szószólója, a Case Western Reserve University csillagásza a tömeg-sugárzás arányából kiszámította, hogy a galaxisnak lassabban kellene forognia, mint ahogy azt van Dokkum eredeti becslése mutatta. A MOND-számítás tehát itt látszólag nem illeszkedett az adatokhoz. Aztán 2019-ben van Dokkum csoportja a korrigált adatok alapján mérsékelte a Dragonfly 44 megfigyelt forgási sebességét, ami viszont már passzolt a MOND-hoz is.
A csillagászok többsége számára, akik inkább a sötét anyag elméletét támogatják, a lassabb forgási sebesség csak annyit jelentett, hogy a Dragonfly 44 halója kisebb, mint gondolták. 2020-ban egy független csoport tovább csökkentette a haló becsült méretét azzal, hogy jelentősen kevesebb gömbhalmazt számolt meg a galaxisban. Van Dokkum ugyanakkor vitatja ezt az eredményt. A halo mérete továbbra is bizonytalan, de lehet, hogy kisebb tömegű, mint eredetileg feltételezték, ami arra utalhat, hogy a Dragonfly 44 mégsem egy félresikerült Tejútrendszer.
Egy nemrégiben felfedezett furcsaság tovább fokozza a Dragonfly 44 körüli rejtélyt. Egy augusztusban megjelent tanulmányban van Dokkum csapata arról számolt be, hogy vizsgálataik alapján a galaxis rendkívül ősi, a kora 10–13 milliárd év lehet. Egy ennyire régi galaxisnak azonban nem lenne szabad olyan nagynak lennie, mint a Dragonfly 44. A korai univerzumban keletkezett objektumok általában sűrűbbek és kisebbek a maiaknál, mivel a világegyetem gyors tágulása előtti időben keletkeztek.
Ráadásul egy ilyen régi, ennyire gyér galaxisnak mára már teljesen szét kellett volna esnie. Az, hogy a Dragonfly 44 valahogyan mégis egyben maradt, azt jelenti, hogy mégiscsak lennie kell egy tekintélyes sötétanyag-halónak. Egy másik magyarázat a galaxis létezésére, hogy az két kisebb csillagrendszer egyesülésével jött létre, amelyek egy irányba forogtak. Ez szokatlanul gyors forgást eredményezett, amely felfújta az új galaxist, miközben a csillagok anyagát adó gáz kisöprődött a rendszerből.
Az UDG-k csodálatos világa
A Dragonfly 44 vizsgálatai közepette a csillagászok más ultradiffúz galaxisokat is találtak, amelyekből mára egy hatalmas és változatos gyűjtemény állt össze. Az ilyen rendszerek sokfélesége azt sugallja, hogy az UDG-k – és általában a galaxisok – többféleképpen is kialakulhatnak az eddig véltnél.
Néhány újonnan felfedezett UDG-ből például látszólag teljesen hiányzik a sötét anyag.
Van Dokkum csapata 2018-ban azonosított egy ilyen galaxist, majd azóta továbbiaknak is nyomára akadt. Idén májusban a szakértők a Nature című folyóiratban arról írtak, hogy utóbbi rendszerek két galaxis régen történt ütközésében keletkezhettek. Az ütközés lelassította a galaxisok gázáramlását, de a sötét anyaguk viszont továbbhaladt, mintha mi sem történt volna. A gáz ezután csillagokká tömörült össze, sötét anyagtól mentes galaxisok sorát alakítva ki az egykori kozmikus ütközés környékén.
Eközben Bennet 2018-ban két UDG-t is felfedezett, amelyek egy másik keletkezési elméletet tesznek valószínűvé. Mindkét esetben úgy tűnik, hogy egy nagy tömegű, közeli galaxis árapályerői hatottak a majdani UDG-re: felfújták azt, miközben elszippantották belőle a gázt. Zavarba ejtő módon egy szeptemberi publikációban egy UDG-ben történt, friss csillagkeletkezésről számoltak be, ami viszont ellentmond annak az elképzelésnek, hogy ezek a rendszerek csak öreg csillagokat rejtenek.
A külsőleg nagyon hasonló, de belül jelentősen eltérő UDG-k sokfélesége a sötét anyag elméletét igazolhatja a MOND-dal szemben, mondja van Dokkum. Ha ugyanis a csillagok az egyik galaxisban nagyon gyorsan, a másikban pedig nagyon lassan mozognak, az komoly probléma ezen alternatív elméletek számára, állítja a szakértő. McGaugh egyetértett azzal, hogy ha az UDG-populációban ennyire kiugró értékek vannak, az valóban problematikus jelent a MOND szempontjából. Ez azonban szerinte nem teszi automatikusan jobb értelmezéssé a sötét anyag elméletét.
A tényleges válaszokhoz új teleszkópokra lesz szükség. Az nemrégiben üzembe helyezett James Webb űrteleszkóp máris észlelt olyan a távoli galaxisokat, amelyek a világegyetem korai időszakában léteztek, és amelyek sokat segíthetnek az említett elméletek tesztelésében és finomításában.
„A fő tanulság az, hogy még mindig nem tudjuk, mi van odakint. Léteznek olyan galaxisok, amelyek nagyon nagyok, nagyon közel vannak, és szokatlan tulajdonságokkal rendelkeznek, azonban még az égbolt több évtizedes tanulmányozása után sem bukkannak fel a jelenlegi égbolt-katalógusainkban”
– mondja van Dokkum.
