Hjertet af ensom galakse er fyldt med mørkt stof

Isoleret i milliarder af år, en galakse med mere mørkt stof pakket ind i sin kerne end forventet er blevet identificeret af astronomer ved hjælp af data fra NASAs Chandra X-ray Observatory.

galaksen, kendt som Markarian 1216 (forkortet til Mrk 1216), indeholder stjerner, der er inden for 10 % af universets alder – dvs. næsten lige så gammel som universet selv. Forskere har fundet ud af, at den har gennemgået en anden udvikling end typiske galakser, både med hensyn til dets stjerner og det usynlige mørke stof, gennem tyngdekraften, holder galaksen sammen. Mørkt stof udgør omkring 85 % af stoffet i universet, selvom det kun er blevet opdaget indirekte.

Mrk 1216 tilhører en familie af elliptisk formede galakser, der er tættere pakket med stjerner i deres centre end de fleste andre galakser. Astronomer tror, ​​at de stammer fra rødlig, kompakte galakser kaldet "røde nuggets", der blev dannet omkring en milliard år efter big bang, men gik så i stå i deres vækst for omkring 10 milliarder år siden.

Hvis denne forklaring er korrekt, så burde det mørke stof i Mark 1216 og dets galaktiske fætre også være tæt pakket. For at teste denne idé for første gang, et par astronomer studerede røntgenlysstyrken og temperaturen af ​​varm gas i forskellige afstande fra Mrk 1216's centrum, så de kunne "veje" hvor meget mørkt stof der findes i midten af ​​galaksen.

"Da vi sammenlignede Chandra-dataene med vores computermodeller, vi fandt, at der var behov for en meget stærkere koncentration af mørkt stof, end vi finder i andre galakser med lignende totalmasse, " sagde David Buote fra University of California i Irvine. "Dette fortæller os, at Mrk 1216's historie er meget forskellig fra den typiske galakse. I det væsentlige alle dets stjerner og mørke stof blev samlet for længe siden med lidt tilføjet i de sidste 10 milliarder år."

Ifølge den nye undersøgelse, en glorie, eller fuzzy sfære, af mørkt stof dannet omkring midten af ​​Mrk 1216 omkring 3 eller 4 milliarder år efter big bang. Denne halo forventes at have strakt sig over et større område end stjernerne i galaksen. Dannelsen af ​​sådan en rød guldklump galakse var typisk for en lang række elliptiske galakser, der ses i dag. Imidlertid, i modsætning til Mrk 1216, de fleste gigantiske elliptiske galakser fortsatte gradvist med at vokse i størrelse, da mindre galakser smeltede sammen med dem over kosmisk tid.

"Den gamle alder og tætte koncentration af stjernerne i kompakte elliptiske galakser som Mrk 1216, set relativt nærliggende, gav det første nøglebevis på, at de er efterkommere af de røde nuggets set på store afstande, " sagde medforfatter Aaron Barth, også fra University of California i Irvine. "Vi mener, at den kompakte størrelse af den mørke stof-glorie, der ses her, fastholder sagen."

Tidligere, astronomer vurderede, at det supermassive sorte hul i Mrk 1216 er mere massivt end forventet for en galakse med sin masse. Denne seneste undersøgelse, imidlertid, konkluderede, at det sorte hul sandsynligvis vejer mindre end omkring 4 milliarder gange Solens masse. Det lyder af meget, men det er måske ikke usædvanligt massivt for en galakse så stor som Mrk 1216.

Forfatterne søgte også efter tegn på udbrud fra det supermassive sorte hul i centrum af galaksen. De så antydninger af hulrum i den varme gas svarende til dem, der blev observeret i andre massive galakser og galaksehobe som Perseus, men flere data er nødvendige for at bekræfte deres tilstedeværelse.

Mrk 1216-dataene giver også nyttige oplysninger om mørkt stof. Fordi mørkt stof aldrig er blevet observeret direkte, nogle videnskabsmænd stiller spørgsmålstegn ved, om det overhovedet eksisterer. I undersøgelsen, Buote og Barth fortolkede Chandra-dataene ved at bruge både standard, "Newtonske" tyngdekraftsmodeller og en alternativ teori kendt som modificeret newtonsk dynamik, eller "MOND" designet til at fjerne behovet for mørkt stof i typiske galakser. Resultaterne viste, at begge teorier om tyngdekraft krævede omtrent den samme ekstraordinære mængde mørkt stof i centrum af Mrk 1216, effektivt fjerner behovet for MOND-forklaringen.

"I fremtiden håber vi at gå et skridt videre og studere mørkt stofs natur, " sagde Buote. "Den tætte ophobning af mørkt stof i midten af ​​Mrk 1216 kan give en interessant test for ikke-standardiserede teorier, der forudsiger mindre centralt koncentreret mørkt stof, såsom for mørkt stof partikler, der interagerer med hinanden på en anden måde end tyngdekraften."

Et papir, der beskriver disse resultater, udkom den 1. juni, 2019 udgave af The Astrofysisk tidsskrift .