Sestavljen pogled na veličastno galaksijo Centaur A, ki je najbližja aktivni galaksiji Mlečni poti. Okrog te galaksije je bilo izmerjenih 16 satelitskih galaksij, 14 od njih pa je videti, da ležijo v vrteči se ravnini, kar kljubuje naivnemu pričakovanju simulacij hladne temne snovi. Kreditna slika: ESO / WFI (optična); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss in sod. (Submilimetra); NASA / CXC / CfA / R.Kraft in sod. (Rentgen).

Satelitske galaksije živijo v isti ravnini kot njihovi gostitelji in kljubujejo napovedi o temnih zadevah

Toda ali je to res težava teorije? Ali pa je fizika na pomoč?

Temna snov je ena najmočnejših, a hkrati ena najbolj kontroverznih idej, ki se pojavlja v sodobni fiziki. Vidimo nesporne dokaze, da običajna snov, prisotna v vesolju, sestavljena iz protonov, nevtronov in elektronov, sama po sebi ne more razložiti celotnega nabora gravitacijskih učinkov. Če dodamo dodaten vir mase s posebnimi lastnostmi, tj. Temno snovjo, skoraj vse napovedi gravitacije ustrezajo temu, kar vidimo. Toda eno od napovedi temne snovi je, da bi se morale majhne pritlikave satelitske galaksije oblikovati v velikem halo okoli velikih galaksij. Vendar okoli Mlečne poti, Andromeda in zdaj Centaur A ne živita v halu, temveč na disku. Raziskovalci, ki izvajajo najnovejšo raziskavo, trdijo, da je to velik izziv za standardno sliko kozmologije hladne temne snovi (CDM). A je res, res? Ugotovitev zahteva poglobljen pogled.

Podroben pogled na Vesolje razkriva, da je sestavljen iz materije in ne antimaterije, da sta potrebna temna snov in temna energija in da ne vemo izvora katere koli od teh skrivnosti. Kreditna slika: Chris Blake in Sam Moorfield.

Kadarkoli imate teorijo, ki je prepričljiva, preprosta, rešuje številne težave, katerih temeljno napoved lahko zaznamo le posredno, mora imeti najsayers. Kozmična inflacija na primer pojasnjuje izvor našega Vesolja, danes pa lahko opazimo le njegove preostale učinke. Temna energija odlično razloži pospešeno širitev Vesolja, vendar ni znanega načina za preizkušanje njegovega osnovnega vzroka. In temna snov razburljivo razloži celoten sklop kozmoloških opazovanj, od dinamike posameznih galaksij do obsežnega kozmičnega spleta do nihanj ostanka velikega praska. Toda nihče ni nikoli neposredno zaznal delca temne snovi. Verjetno se nihče niti približno ne približa. Kljub temu to ne pomeni, da temna snov ni resnična; to pomeni, da moramo biti pri svojih analizah zelo previdni.

Po modelih in simulacijah bi morale biti vse galaksije vgrajene v halogene temne snovi, katerih gostota je največja v galaktičnih središčih. Pričakuje pa se, da bo prisotno veliko število subhaloskih sklopov, ki v sebi skrivajo miniaturne galaksije. Njihova distribucija mora biti halo, ne pa disk. Kreditna slika: NASA, ESA ter T. Brown in J. Tumlinson (STScI).

Težava satelitske galaksije je pravi problem, saj je vključenih veliko zapletene fizike. Ko izvajate simulacijo temne snovi, je univerzalna značilnost, da sčasoma sestavite velike hale temne snovi, ki se združujejo skupaj, kar ustreza velikim spiralnim in eliptičnim galaksijam, ki jih poznamo danes. Toda okoli njih so manjši podhalomi, ki se v simulacijah pojavljajo v vseh usmeritvah okoli večje galaksije. V praksi pa se majhne satelitske galaksije, ki jih vidimo, prikazujejo v ravnini: enaki orbitalni ravnini, v kateri je glavni glavni galaksiji.

Pritlikave galaksije, ki jih najdemo v orbiti okoli Centavra A galaksija kaže jasno orientacijo v ravnini galaksije, kar je izziv za teorije CDM, ki jih je treba razložiti. Slikovni sliki: O. Muller in sod., Science 359, 6375 (2018).

Medtem ko je naivno pričakovanje, da bodo te pritlikave galaksije izkazovale tudi naključne gibe, pa opažamo, kar opažamo pomembne dokaze, da se ti sateliti sočasno vrtijo z glavno galaksijo. To so ugotovili najprej za Mlečno pot in Andromedo, nove raziskave pa kažejo, da to velja tudi za Centaur A, saj se 14 od 16 odkritih satelitskih galaksij zdi, da se skupaj vrtijo skupaj s centralno galaksijo.

Ali se ti halo skriva, nekaj ni v redu s simulacijami ali pa temna snov ne upošteva v celoti. Oglejmo si vsako od možnosti.

Le približno 1000 zvezd je prisotnih v celotni pritlikavi galaksiji Segue 1 in Segue 3, ki ima gravitacijsko maso 600.000 Sončkov. Zvezde, ki sestavljajo pritlikav satelit Segue 1, so tu obkrožene. Kreditna slika: Obzornice Marla Geha in Keck.

1.) Ti haloji so resnični, toda pritlikavih satelitov brez diska je težko videti. Manjkajoči satelitski problem je v kozmologiji dolgotrajen, saj simulacije CDM že dolgo kažejo veliko več pritlikavih galaksij okoli velikih galaksij, kot smo jih odkrili. V zadnjem času je bilo najdeno veliko število zelo šibkih pritlikavih galaksij, večinoma v bližini. Ti so bolj kot celo odprti zvezdni grozdi, ki jih najdemo v Mlečni poti, številni pa vsebujejo le na stotine zvezd, kljub množicam temnih snovi v sto tisočih sončnih mas. Vendar to ne pojasnjuje v celoti težave z orientacijo, saj se zdi, da je ravnina resnična.

Poleg tega naj bi argument, da bi bili ti palčki skriti, veljal le za Mlečno pot, saj bo le njegovo letalo zakrivalo satelite. Zdi se, da opazovanje satelitov Centavra A in Andromede to umiri. Obstajajo argumenti, ali so vse opazovane ravnine dinamično stabilne v dolgih časovnih razmikih, vendar se zdi, da majhni, manjkajoči škratki ne morejo razložiti nepričakovane ravninske ravnine.

Projekcija velikega obsega skozi Illustrisov volumen pri z = 0, osredotočena na najbolj množično gručo, globoko 15 Mpc / h. Prikaže gostoto temne snovi (levo), ki prehaja v gostoto plina (desno). Obsežne strukture Vesolja ni mogoče razložiti brez temne snovi, čeprav obstaja veliko spremenjenih poskusov gravitacije. Vendar strukture manjšega obsega pogosto predstavljajo težave pri simulacijah temne snovi. Kreditna slika: Sodelovanje pri ilustriranju / simulacija ilustracije.

2.) Simulacije, ki napovedujejo halo podobno porazdelitev satelitov, so napačne. To je potencialna razlaga, ki jo je treba jemati zelo resno. V evoluciji galaktik se igra zelo veliko procesov, vključno z združitvijo manjših galaksij, s katerimi nastajajo večje, padajoče snovi na te galaksije in pretoki temne in normalne snovi po kozmičnih nitkah. Znano je, da ti nitki delujejo kot nekakšna galaktična avtocesta, ki v milijardnih letih usmeri majhne galaksije na večje. Poleg tega obstajajo povratni učinki nastajanja zvezd in prepletanje plina, plazme in sevanja lahko igra vlogo, ki je v standardnih simulacijah CDM ne upoštevamo dobro. Halo podobna porazdelitev navsezadnje ne more biti splošna lastnost, če upoštevamo vse te druge fizične učinke.

Kot je vidno v vidni svetlobi, galaksija Centaur A izgleda kot mešanica diskovne prevladujoče in eliptične galaksije. Opazovanja satelitov, ki ga obkrožajo, pa izpodbijajo konvencionalno razlago CDM, ne glede na to, kako ga rezite. Kreditna slika: Christian Wolf & SkyMapper Team / Avstralska nacionalna univerza.

3.) Nekaj ​​je narobe s samo idejo o temni snovi. O relativnem pomenu zgoraj naštetih fizičnih učinkov je vroča razprava. Kot ugotavljajo avtorji novega prispevka: „Čeprav ugotavljamo, da se kinematika satelitov [Centaurus] A verjetno ne bo zgodila po naključju, nam to ne omogoča takoj, da bi lahko sklepali o njegovem strinjanju s predvidevanji [hladne temne snovi“ ] kozmologija. " Najmodernejše simulacije ne uspejo reproducirati tistega, kar se opaža v galaksijah, kot so Centaurus A, Mlečna pot in Andromeda, avtorji sedanjega dela pa trdijo, da ta napetost daje prednost alternativi razlagi temne snovi. Kot so predlagali avtorji, je možno, da ti sateliti izhajajo iz zgodovinske velike združitve dveh galaksij primerljive velikosti. Tudi o tem je veliko razpravljajoča, a zanimiva možnost.

Združitve galaksije so običajne in s časom se bodo vse gravitacijsko vezane galaksije v skupinah in grozdih sčasoma združile v eno samo galaksijo v jedru vsake vezane strukture. Ko pride do večjih združitev, je rezultat pogosto velikanska eliptična, toda nihče ni prepričan, kaj se zgodi, kolikor segajo pritlikave satelitske galaksije. Kreditna slika: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. znanosti / ESA / NASA.

Vsaka perspektiva ima nekaj dokazov, ki jo podpirajo, vendar je povsem jasno, da napovedovanje halo podobne porazdelitve vseh, razen zelo najmanjših satelitov, ni tisto, kar nam daje vesolje. Za tri velike galaksije, zdaj - Mlečna pot, Andromeda in Centaur A, - kažejo opazovalna dejstva, ki kažejo, da se pritlikave satelitske galaksije pojavljajo v ravnini, ki obdaja te velike. Poleg tega obstajajo sugestivni dokazi, da se te pritlikave galaksije gibljejo skupaj z vrtenjem velike galaksije. Ko pogledate bližnji Vesolj, pa je pomemben dejavnik: na te galaksije obstajajo tudi lokalni tokovi snovi, normalni in temni. Če obstaja prednostna smer, kako zadeva sodi v te galaksije, bi morala biti prednostna smer pritlikavim satelitom, ki se nanje vežejo.

Slika prikazuje trenutni tok galaksij - tok po kozmični super-avtocesti in na mostu za Devico, v regiji okoli Mlečne poti, Andromede in Kentavra A. Kreditna slika: 'Letala satelitskih galaksij in kozmičnega spleta , 'Noam Libeskind in sod., 2015.

Leta 2015 je ekipa, ki jo je vodil Noam Libeskind, odkrila točen učinek. "To je prvič, da smo opazovalno preverili, ali velike filamentne supercestne poti usmerjajo pritlikave galaksije po vesolju vzdolž čudovitih mostov temne snovi," je takrat dejal Libeskind. Zdaj, skoraj tri leta kasneje, je slika potrjena z boljšimi podatki z še večjo natančnostjo. Ni dodatnih znakov, da je temna snov bolj ali manj verjetna, kot je bila prej iz te nove študije. Kljub temu je sedanja skupina bolj skeptična do CDM na splošno in bolj nagnjena k iskanju alternativnih razlag, na primer večjih združitev, za izvor satelitov v ravnini.

Štirje trki galaksij v trku, ki prikazujejo ločitev med rentgenskimi žarki (roza) in gravitacijo (modra), kar kaže na temno snov. CDM je na velikih lestvicah nujen, na majhnih pa sam po sebi ni tako uspešen kot mi. Kreditna slika: rentgenska slika: NASA / CXC / UVic. / A.Mahdavi in ​​sod. Optični / Leče: CFHT / UVic. / A. Mahdavi in ​​sod. (zgoraj levo); Rentgen: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson et al .; Optično: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson in sod. (zgoraj desno); ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italija) / CFHTLS (spodaj levo); Rentgen: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (kalifornijska univerza, Santa Barbara) in S. Allen (univerza Stanford) (spodaj desno).

V intervjuju s soavtorjem študije Marcelom Pawlowskim s kalifornijske univerze Irvine je povedal naslednje:

„[CDM] je na velikih lestvicah resnično uspešen. Mislim, da bi morali na splošno v svojih pristopih postati bolj raznoliki. MOND je na drugi strani zelo uspešen pri napovedovanju dinamike majhnega obsega. Resnično sem navdušena nad možnostmi, ki združujejo uspehe obeh. Superluidna temna snov je ena tako zanimivih možnosti, ki vam daje obsežne uspehe temne snovi, hkrati pa reproducira učinek MOND na majhnih lestvicah. Mislim, da bi morali te možnosti še naprej spodbujati in raziskati. Mislim, da se ne bi smeli ničesar odreči, vendar mislim, da bi moralo področje uporabljati te alternativne pristope. "

Vendar pa, tako kot odkritje, da so bili težki elementi narejeni v zvezdah in ne v zgodnjem Vesolju, ni razveljavilo Velikega poka, je možno, da sta obe konkurenčni perspektivi obe pravilni. Možno je, da barijonska snov, ki ustvarja galaksije, teče na galaksije po nitastih poteh, da je CDM odgovoren za obsežno strukturo in značilnosti vesolja, pa tudi, da ti pritlikavi sateliti izhajajo iz samih velikih združitev, ne iz napovedi CDM. Če bi bilo to tako, pa bi v celoti pričakovali, da bodo v "ploskavskih" galaksijah prevladovali barioni, ne temna snov. Zanimivo je, da pritlikave satelitske galaksije kažejo kombinacijo: v nekaterih primerih se rezultati ujemajo s napovedjo halonov CDM, v drugih pa se zdi, da napovedi CDM močno precenjujejo maso temne snovi. Poenoten model, ki predstavlja celoten sklop opazovanj, nas še vedno izmika.

Različne fotografije od simulacije združitve galaksij Mlečna pot in Andromeda. Ko pride do večje združitve, kakršna je ta, se lahko zgodi, da se velika količina naplavin razstreli, kar ustvari satelitske galaksije, kjer prevladuje običajna snov. Kreditna slika: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas in A. Mellinger.

Kdo je torej pravilen? Ko se simulacije izboljšajo pri dodajanju dodatne dinamike, kot so interakcije temne snovi / sevanja / običajne snovi, povratne informacije o nastanku zvezd, lokalni značilni hitrostni učinki in še več, se bolje ujemajo z opazovanji, vendar še vedno ne popolno in zagotovo ne na splošno. Po drugi strani pa alternative temni snovi še vedno trpijo enake neuspehe pri poskusu reprodukcije kozmičnega spleta, kozmičnega mikrovalovnega ozadja ali dinamike trkajočih grozdov galaksije. Kljub temu je pomembno, da se držite odprtega duha, dokler ne obstajajo dokazi o kajenju pištole za CDM, in ne pozabite, da gre za uganko, ki morda pove več o evoluciji in združitvi galaksije kot o temni snovi. Kot pravi Michael Boylan-Kolchin, "bodo rezultati lahko privedli do boljšega razumevanja tvorbe galaksij znotraj modela [hladne temne snovi] ali do spodbude, da bi strmoglavili njene osnovne domneve."

Zaradi vsega nabora svojih uspehov na vseh lestvicah je temna snov vsaj vsaj zaenkrat tu, da ostane. Vendar bosta nastajanje in razvoj galaksij, zlasti na manjših in manjših lestvicah, še naprej dejavno področje raziskovanja s številnimi nerazrešenimi uganki.

Starts With A Bang je zdaj objavljen na Forbesu in ponovno objavljen na Medium zahvaljujoč našim podpornikom Patreona. Ethan je avtor dveh knjig, Beyond The Galaxy in Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive.