Alla vet att galaxer är enorma stjärnor av stjärnor. En enda galax kan innehålla hundratals miljarder av dem. Men det finns en typ av galax som inte har några stjärnor. Det stämmer: noll stjärnor.
Dessa galaxer kallas Dark Galaxies eller Dark Matter Galaxies. Och snarare än att bestå av stjärnor, består de mestadels av Dark Matter. Teorin förutspår att det borde finnas många av dessa Dwarf Dark Galaxies i gloria runt "vanliga" galaxer, men det har varit svårt att hitta dem.
Nu, i en ny artikel som kommer att publiceras i Astrophysical Journal, tillkännager Yashar Hezaveh vid Stanford University i Kalifornien och hans kollegalag upptäckten av ett sådant objekt. Teamet använde förbättrade förmågor hos Atacamas Large Millimeter Array för att undersöka en Einstein-ring, så kallad för Einsteins teori om allmän relativitet förutspådde fenomenet långt innan en observerades.
En Einsteinring är när den stora tyngdkraften hos ett nära objekt förvränger ljuset från ett mycket mer avlägset objekt. De fungerar mycket som linsen i ett teleskop, eller till och med ett par glasögon. Glasets massa i linsen riktar inkommande ljus på ett sådant sätt att avlägsna föremål förstoras.
Einstein-ringar och gravitationslinser gör det möjligt för astronomer att studera extremt avlägsna föremål genom att titta på dem genom en tyngdlins. Men de tillåter också astronomer att lära sig mer om galaxen som fungerar som linsen, vilket är vad som hände i detta fall.
Om en glaslins hade små vattenfläckar på den, skulle dessa fläckar lägga till en liten mängd förvrängning i bilden. Det var vad som hände i det här fallet, förutom snarare än mikroskopiska vattendroppar på en lins, förvrängningarna orsakades av små Dwarf Galaxies bestående av Dark Matter. ”Vi kan hitta dessa osynliga föremål på samma sätt som du kan se regndroppar på ett fönster. Du vet att de är där för att de snedvrider bilden av bakgrundsobjekten, ”förklarade Hezaveh. Skillnaden är att vatten snedvrider ljuset genom brytning, medan materien snedvrider ljuset genom tyngdkraften.
När ALMA-anläggningen ökade sin upplösning studerade astronomer olika astronomiska objekt för att testa dess kapacitet. Ett av dessa objekt var SDP81, gravitationslinsen i bilden ovan. När de undersökte den mer avlägsna galaxen som linsades av SDP81 upptäckte de mindre snedvridningar i ringen i den avlägsna galaxen. Hezaveh och hans team drar slutsatsen att dessa snedvridningar signalerar närvaron av en Dwarf Dark Galaxy.
Men varför betyder allt detta? Eftersom det finns ett problem i universum, eller åtminstone i vår förståelse av det; ett problem med att saknas massa.
Vår förståelse för strukturen i universum är ganska solid, åtminstone i större skala. Förutsägelser baserade på denna modell överensstämmer med observationer av den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB) och galaxklustering. Men vår förståelse bryts ned något när det gäller universums mindre skala.
Ett exempel på vår brist på förståelse på detta område är det som kallas det saknade satellitproblemet. Teorin förutspår att det bör finnas en stor population av vad som kallas sub-haloobjekt i halon av mörk materia som omger galaxer. Dessa objekt kan sträcka sig från saker så stora som de magelliska molnen ner till mycket mindre föremål. I observationer av den lokala gruppen finns det ett uttalat underskott av dessa objekt, motsvarande en faktor 10, jämfört med teoretiska förutsägelser.
Eftersom vi inte hittade dem, måste en av två saker hända: antingen blir vi bättre på att hitta dem, eller så ändrar vi vår teori. Men det verkar lite för snart att modifiera våra teorier om universums struktur eftersom vi inte hittade något som i sig är svårt att hitta. Det är därför detta tillkännagivande är så viktigt.
Observationen och identifieringen av en av dessa Dwarf Dark Galaxies bör öppna dörren för mer. När mer än hittats kan vi börja bygga en modell av deras befolkning och fördelning. Så om i framtiden fler av dessa Dwarf Dark Galaxies hittas, kommer det gradvis att bekräfta vår övergripande förståelse av universums bildning och struktur. Och det kommer att betyda att vi är på rätt väg när det gäller att förstå Dark Matter: s roll i universum. Om vi inte hittar dem, och den som är bunden till halot av SDP81 visar sig vara en avvikelse, så är det teoretiskt tillbaka till tavlan.
Det krävde mycket hästkrafter för att upptäcka Dwarf Dark Galaxy bunden till SDP81. Einsteinringar som SDP81 måste ha en enorm massa för att utöva en gravitationslinsningseffekt, medan Dwarf Dark Galaxies är små i jämförelse. Det är ett klassiskt "nål i en höstack" -problem, och Hezaveh och hans team behövde massiv datorkraft för att analysera data från ALMA.
ALMA och metodiken som utvecklats av Hezaveh och team kommer förhoppningsvis att kasta mer ljus på Dwarf Dark Galaxies i framtiden. Teamet tror att ALMA har stor potential att upptäcka fler av dessa haloobjekt, vilket i sin tur borde förbättra vår förståelse för universums struktur. Som de säger i sin slutsats, "... ALMA-observationer har potential att väsentligt förbättra vår förståelse av överflödet av mörk materiaunderkonstruktion."
