Runt Vintergatan finns det bokstavligen dussintals dvärggalaxer som fortsätter att långsamt absorberas i vår egen. Dessa galaxer är en stor källa till intresse för astronomer eftersom de kan lära oss mycket om kosmisk evolution, som hur mindre galaxer smälte samman med tiden för att skapa större strukturer. Eftersom de tros vara reliker från de allra första galaxerna i universum, är de också besläktade med 'galaktiska fossiler'.
Nyligen observerade ett team av astrofysiker från Massachusetts Institute of Technology (MIT) en av de äldsta av dessa galaxer (Tucana II) och märkte något oväntat. I kanten av galaxen observerade de stjärnor i en konfiguration som tyder på att Tucana II har en utökad Dark Matter-gloria . Dessa fynd tyder på att de äldsta galaxerna i universum hade mer mörk materia än vad man tidigare trott.
Forskningen leddes av en doktorand i fysik Anirudh Chiti av MIT Kavli-institutet för astrofysik och rymdforskning , och Anna Frebel – Silverman Family Career Development Docent i fysik vid MIT. De fick sällskap av flera kollegor från Kavli, såväl som Observatorier vid Carnegie Institution of Washington , ANU Forskarskolan för astronomi och astrofysik och UC Berkeley.
En sektion av det virtuella universum, en miljard ljusår tvärs över, som visar hur mörk materia är fördelad i rymden, med mörk materia halos de gula klumpar, sammankopplade av mörka filament. Kredit: Joachim Stadel, UZH
För att sammanfatta, Mörk materia hänvisar till den osynliga massan som astronomer började teoretisera om under 1960-talet. Den står för 85 % av materien i universum och ungefär en fjärdedel av dess totala massenergitäthet. Även om alla försök att hitta en kandidatpartikel för mörk materia inte har haft framgång (hittills), kan forskare observera dess inflytande på storskaliga strukturer (som galaxer och galaxhopar).
Ett perfekt exempel på detta är Dark Matter Halos , som hänvisar till en lokal koncentration av massa som genomsyrar och omger galaxer, grupper och galaxhopar och håller dem samman. Närvaron av dessa halos bestäms genom att observera rotationskurvorna för galaxer och rörelserna hos galaxer i grupper och kluster, vilket astronomer märkte inte överensstämde med mängden materia de kan se (aka. 'ljusande materia').
Tucana II är en ultrasvag dvärggalax som ligger cirka 163 000 ljusår från jorden i riktning mot tucana konstellation . Baserat på åldern på dess stjärnor (alla gamla och mycket svaga röda stjärnor) och dess låga metallicitet, är Tucana II en av de mest primitiva dvärggalaxerna som är kända. Tidigare hade astronomer identifierat stjärnor runt dess kärna med så lågt metallinnehåll att galaxen ansågs vara den äldsta av kända ultrasvaga dvärggalaxer.
För deras studies skull observerade Chiti, Frebel och deras team Tuscana II för att se om denna antika galax kan innehålla ännu äldre stjärnor – vars studie kan ge insikt i bildandet av universums första galaxer. Det uppskattas att dessa bildades för ungefär 13 miljarder år sedan, bara 800 miljoner år efter Big Bang. För att testa detta fick de data från SkyMapper-teleskopet , ett optiskt markbaserat teleskop i Australien.
Närheten till den ultrasvaga dvärggalaxen Tucana II, som avbildats med SkyMapper-teleskopet. Kredit: Anirudh Chiti, MIT
De använde sedan ett avbildningsfilter för att upptäcka särskilt svaga, metallfattiga stjärnor och parade ihop sina observationer med en algoritm (utvecklad av Chiti) för att identifiera dem. Förutom de tidigare identifierade stjärnorna nära kärnan, observerade de nio nya i kanten av Tucana II. De noterade också att de var i en konfiguration som antydde att de var fångad av galaxens gravitationskraft.
Detta var förvånande med tanke på hur långt från kärnan de var och antyder att Tucana II har en utökad mörk materia-halo som är tre till fem gånger mer massiv än man tidigare trott. 'Tucana II har mycket mer massa än vi trodde, för att binda dessa stjärnor som är så långt borta,' sa Chiti. 'Detta betyder att andra reliker första galaxer förmodligen har dessa typer av utökade glorier också.'
Chiti och Frebel följde upp dessa resultat med hjälp av data som tidigare erhållits av Magellan-teleskopen vid Las Campanas observatorium i Chile. Dessa observationer antydde att de nio nya stjärnorna var ännu mer metallfattiga (äldre) än de i kärnan. Dessa resultat är det första beviset på att ultrasvaga dvärggalaxer har utökade glorier och kan ha betydande konsekvenser för kosmologiska teorier. Som Frebel förklarade:
'Detta betyder förmodligen också att de tidigaste galaxerna bildades i mycket större mörk materia-glorier än man tidigare trott. Vi har trott att de första galaxerna var de minsta, tråkigaste galaxerna. Men de kan faktiskt ha varit flera gånger större än vi trodde, och inte så små trots allt.'
Illustration av hur natthimlen kan se ut om miljarder år, när Andromedagalaxen sakta närmar sig sammanslagning med Vintergatan. Kredit: NASA/ESA/Z. Levay och R. van der Marel, STScI/T. Hallas; och A. Mellinger
Dessutom kan obalansen mellan gamla stjärnor nära kärnan och ännu äldre stjärnor i utkanten vara en indikation på att Tucana II kan ha varit produkten av en av de första sammanslagningarna i universum. Denna process av 'galaktisk kannibalism' sker konstant i hela universum idag och kommer att äga rum om ca 3,75 miljarder år mellan Vintergatan och den närliggande Andromedagalaxen .
Men fram till nu var det oklart om tidiga galaxer slogs samman på liknande sätt eller inte. I detta avseende hävdar Frebel att det de observerade kan vara en annan första:
'Vi kanske ser den första signaturen av galaktisk kannibalism. En galax kan ha ätit upp en av sina lite mindre, mer primitiva grannar, som sedan spillde ut alla sina stjärnor i utkanten. Tucana II kommer så småningom att ätas av Vintergatan, ingen nåd. Och det visar sig att denna antika galax kan ha sin egen kannibalistiska historia. Det finns förmodligen många fler system, kanske alla, som har dessa stjärnor som blinkar i sina utkanter.'
Inom en snar framtid planerar teamet att använda samma tillvägagångssätt för att observera andra ultrasvaga dvärggalaxer runt Vintergatan. Om de råkar hitta många andra förekomster av mycket gamla stjärnor som kretsar runt kanterna på dvärggalaxer, kommer det att tyda på att mörk materia spelade en särskilt viktig roll i sammanslagningen av forntida galaxer och deras efterföljande evolution.
Studien som beskriver deras resultat, ' Kemiska överflöd av nya medlemsstjärnor i Tucana II dvärggalaxen ', dök nyligen upp iThe Astrophysical Journal. Forskningen möjliggjordes delvis tack vare stöd från NASA och National Science Foundation (NSF).
Vidare läsning: MED
