Mørkt stof trækker de mest massive spiralgalakser til hæsblæsende hastigheder

Når det kommer til galakser, hvor hurtigt er hurtigt? Mælkevejen, en gennemsnitlig spiralgalakse, spinder med en hastighed på 130 miles per sekund (210 km/sek.) i vores Sols kvarter. Ny forskning har fundet ud af, at de mest massive spiralgalakser spinner hurtigere end forventet. Disse "super spiraler, "hvoraf den største vejer omkring 20 gange mere end vores Mælkevej, spin med en hastighed på op til 350 miles per sekund (570 km/sek.).

Super spiraler er exceptionelle på næsten alle måder. Ud over at være meget mere massiv end Mælkevejen, de er også lysere og større i fysisk størrelse. Den største spænder over 450, 000 lysår sammenlignet med Mælkevejens 100, 000 lysårs diameter. Kun omkring 100 superspiraler er kendt til dato. Superspiraler blev opdaget som en vigtig ny klasse af galakser, mens man studerede data fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS) samt NASA/IPAC Extragalactic Database (NED).

"Superspiraler er ekstreme på mange måder, " siger Patrick Ogle fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. "De slår rekorderne for rotationshastigheder."

Ogle er førsteforfatter til et papir, der blev offentliggjort 10. oktober, 2019, i Astrofysiske tidsskriftsbreve . Papiret præsenterer nye data om rotationshastighederne for superspiraler indsamlet med Southern African Large Telescope (SALT), det største enkeltstående optiske teleskop på den sydlige halvkugle. Yderligere data blev opnået ved hjælp af 5-meter Hale-teleskopet fra Palomar Observatory, drives af California Institute of Technology. Data fra NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) mission var afgørende for måling af galaksemasserne i stjerner og stjernedannelseshastigheder.

Med henvisning til den nye undersøgelse, Tom Jarrett fra University of Cape Town, Sydafrika siger, "Dette arbejde illustrerer smukt den kraftfulde synergi mellem optiske og infrarøde observationer af galakser, afsløre stjernernes bevægelser med SDSS og SALT spektroskopi, og andre stjerneegenskaber - især stjernemassen eller 'rygraden' af værtsgalakserne - gennem WISE mellem-infrarød billeddannelse."

Teorien antyder, at superspiraler spinder hurtigt, fordi de er placeret i utroligt store skyer, eller glorier, af mørkt stof. Mørkt stof har været forbundet med galakserotation i årtier. Astronomen Vera Rubin var banebrydende i arbejdet med galaksers rotationshastigheder, viser, at spiralgalakser roterer hurtigere, end hvis deres tyngdekraft udelukkende skyldtes stjerner og gas. En ekstra, usynligt stof kendt som mørkt stof skal påvirke galaksens rotation. En spiralgalakse med en given masse i stjerner forventes at rotere med en vis hastighed. Ogles team finder, at superspiraler væsentligt overstiger den forventede rotationshastighed.

Superspiraler findes også i større glorier af mørkt stof end gennemsnittet. Den mest massive glorie, som Ogle målte, indeholder nok mørkt stof til at veje mindst 40 billioner gange så meget som vores sol. Den mængde mørkt stof ville normalt indeholde en gruppe af galakser i stedet for en enkelt galakse.

"Det ser ud til, at en galakses spin er sat af massen af ​​dens mørke stof-halo, " forklarer Ogle.

Det faktum, at superspiraler bryder det sædvanlige forhold mellem galaksemasse i stjerner og rotationshastighed, er et nyt bevis mod en alternativ teori om tyngdekraft kendt som Modified Newtonian Dynamics, eller MOND. MOND foreslår, at på de største skalaer som galakser og galaksehobe, tyngdekraften er lidt stærkere, end det ville blive forudsagt af Newton eller Einstein. Dette ville forårsage de ydre områder af en spiralgalakse, for eksempel, at spinde hurtigere end ellers forventet baseret på dens masse i stjerner. MOND er designet til at gengive standardforholdet i spiralrotationshastigheder, derfor kan den ikke forklare outliers som superspiraler. Superspiralobservationerne tyder på, at der ikke kræves nogen ikke-newtonsk dynamik.

På trods af at de er de mest massive spiralgalakser i universet, superspiraler er faktisk undervægtige i stjerner sammenlignet med, hvad man ville forvente af mængden af ​​mørkt stof, de indeholder. Dette tyder på, at den store mængde mørkt stof hæmmer stjernedannelsen. Der er to mulige årsager:1) Enhver yderligere gas, der trækkes ind i galaksen, styrter sammen og opvarmes, forhindrer det i at køle ned og danne stjerner, eller 2) Galaksens hurtige spin gør det sværere for gasskyer at kollapse mod påvirkning af centrifugalkraft.

"Det er første gang, vi har fundet spiralgalakser, der er så store, som de nogensinde kan blive, ", siger Ogle.

På trods af disse forstyrrende påvirkninger, superspiraler er stadig i stand til at danne stjerner. Selvom de største elliptiske galakser dannede alle eller de fleste af deres stjerner for mere end 10 milliarder år siden, superspiraler danner stadig stjerner i dag. De omdanner omkring 30 gange Solens masse til stjerner hvert år, hvilket er normalt for en galakse af den størrelse. Til sammenligning, vores Mælkevej danner omkring en solmasse af stjerner om året.

Ogle og hans team har foreslået yderligere observationer for at hjælpe med at besvare nøglespørgsmål om superspiraler, herunder observationer designet til bedre at studere bevægelsen af ​​gas og stjerner i deres diske. Efter lanceringen i 2021, NASAs James Webb-rumteleskop kunne studere superspiraler på større afstande og tilsvarende yngre aldre for at lære, hvordan de udvikler sig over tid. Og NASAs WFIRST-mission kan hjælpe med at lokalisere flere superspiraler, som er yderst sjældne, takket være det store synsfelt.