Παλαιοί γαλαξίες παραμένουν ενωμένοι στο νεαρό σύμπαν

Πηγή: ScienceDaily, 4 Απριλίου 2007

Χρησιμοποιώντας τις πιο ευαίσθητες εικόνες που λήφθηκαν ποτέ με το Υπέρυθρο Τηλεσκόπιο (UKIRT) του Ηνωμένου Βασιλείου, αστρονόμοι έχουν βρει πειστικές αποδείξεις ότι οι γαλαξίες που σχηματίστηκαν στις απαρχές της ιστορίας του Κόσμου κατοικούν μέσα σε τεράστια νέφη της αόρατης σκοτεινής ύλης και θα εξελιχθούν τελικά στους πιο μεγάλους και βαρείς γαλαξίες, που υπάρχουν σήμερα.

Ο Will Hartley του πανεπιστημίου Nottingham ήταν επικεφαλής αυτής της μελέτης.

Οι απόμακροι γαλαξίες που προσδιορίζονται στις εικόνες του UKIRT θεωρούνται ηλικιωμένοι επειδή είναι πλούσιοι σε παλαιά, κόκκινα αστέρια. Εντούτοις, επειδή το φως από αυτά τα συστήματα χρειάστηκε μέχρι και 10 δισεκατομμύρια χρόνια για να φθάσει στη Γη, θεωρούνται ότι εμφανίστηκαν στο πολύ πρώιμο σύμπαν, ακριβώς 4 δισεκατομμύρια χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η παρουσία τέτοιων πλήρως εξελιγμένων γαλαξιών, τόσο νωρίς στη ζωή του Κόσμου, είναι δύσκολο να εξηγηθεί και είναι ένας σημαντικός γρίφος για τους αστρονόμους, οι οποίοι μελετούν πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες.

Τα λευκά βέλη δείχνουν λίγους παλιούς και βαρείς γαλαξίες, σε μια απόσταση 10 δισ. έτη φωτός

Ο Hartley και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν τις εικόνες του UKIRT για να υπολογίσουν τη μάζα της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει τους παλαιούς γαλαξίες, μετρώντας την πυκνότητα που συσσωρεύονται μαζί οι γαλαξίες. Όλοι οι γαλαξίες θεωρούνται πως σχηματίζονται μέσα στους μεγάλους φωτοστεφάνους (άλως) της σκοτεινής ύλης, καταρρέοντας κάτω από τη δικιά τους βαρύτητα, από μια αρχικά ομαλή κατανομή της ύλης μετά από το Big Bang.

Αυτοί οι φωτοστέφανοι (άλως) είναι αόρατοι με τα κανονικά τηλεσκόπια αλλά η μάζα τους μπορεί να υπολογιστεί μέσω της ανάλυσης της συγκέντρωσης των γαλαξιών.

Ο Hartley εξηγεί: "Ευτυχώς, ακόμα κι αν δεν ξέρουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη, μπορούμε να καταλάβουμε τι επιπτώσεις έχει η βαρύτητα σε αυτήν και πως θα συγκεντρωθεί σε μεγάλα κομμάτια. Μπορούμε να δούμε ότι οι παλαιοί, κόκκινοι γαλαξίες συγκεντρώνονται μαζί πολύ πιο έντονα από τους νέους, μπλε γαλαξίες. Έτσι ξέρουμε ότι οι αόρατοι φωτοστέφανοι τους από σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι και πιο βαρείς."

Οι φωτοστέφανοι που περιβάλλουν τους παλαιούς γαλαξίες στον πρώιμο Κόσμο βρέθηκαν να είναι εξαιρετικά βαρείς, περιέχοντας υλικό που είναι εκατό χιλιάδες δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιού μας. Κοντά μας, οι φωτοστέφανοι αυτού του μεγέθους είναι γνωστό πως περιέχουν μέσα τους γιγαντιαίους ελλειπτικούς γαλαξίες, οι μεγαλύτεροι γνωστοί γαλαξίες.

"Αυτό μας προσφέρει μια άμεση σύνδεση μέχρι τον σημερινό Κόσμο," λέει ο Hartley, "και μας πληροφορεί ότι αυτοί οι απόμακροι παλαιοί γαλαξίες πρέπει τελικά να εξελιχθούν σε πιο βαρείς αλλά και πιο εξοικειωμένους σε μας ελλειπτικούς γαλαξίες, τους οποίους βλέπουμε γύρω μας σήμερα. Η γνώση του πώς σχηματίζονται αυτοί οι τεράστιοι ελλειπτικοί γαλαξίες, είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοικτά ζητήματα στη σύγχρονη αστρονομία, και αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση της ιστορίας τους."

Προσομοίωση φωτοστέφανου (άλως) από σκοτεινή ύλη γύρω από ένα γαλαξία.

Η άλως είναι μια εκτεταμένη και λεπτή σφαιρική περιοχή - με τυπική διάμετρο 300.000 έτη φωτός - που εκτείνεται πολύ πιο πέρα από την ορατή περιχή του γαλαξία. Περιέχει αέριο, νέφη κυρίως ιονισμένου υδρογόνου, πολύ παλαιά άστρα και σφαιρωτά σμήνη άστρων εκτός φυσικά της σκοτεινής ύλης

Η παρουσία σκοτεινής ύλης στο φωτοστέφανο αποδεικνύεται από την βαρυτική επίδρασή της στην καμπύλη περιστροφής ενός σπειροειδούς γαλαξία. Δίχως μεγάλα ποσά μάζας στον εκτεταμένο φωτοστέφανο γύρω από το γαλαξία, η περιστροφική ταχύτητα του γαλαξία πρέπει να μειώνεται σε μεγάλη απόσταση από το γαλαξιακό πυρήνα. Εντούτοις, οι παρατηρήσεις των σπειροειδών γαλαξιών, και ιδιαίτερα οι ραδιοπαρατηρήσεις της εκπομπής της γραμμής από το ουδέτερο ατομικό υδρογόνο (που είναι γνωστό ως HI), δείχνουν ότι η καμπύλη περιστροφής των περισσότερων σπειροειδών γαλαξιών παραμένει επίπεδη αρκετά πέρα από την ορατή ύλη. Η απουσία οποιασδήποτε ορατής ύλης που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτές τις παρατηρήσεις,  υπονοεί την παρουσία απαρατήρητης, δηλαδή σκοτεινής ύλης. Ο ισχυρισμός ότι η σκοτεινή ύλη δεν υπάρχει θα σήμαινε ότι η αποδεκτή θεωρία της βαρύτητας (η γενική σχετικότητα) κάνει λάθος, κάτι που είναι δύσκολο να το δεχτούμε.

Ο φωτοστέφανος της σκοτεινής ύλης του Γαλαξία μας

Ο φωτοστέφανος από σκοτεινή ύλη είναι το μεγαλύτερο ενιαίο τμήμα του Γαλαξία δεδομένου ότι καλύπτει διάστημα μεταξύ των 100.000 έως 300.000 ετών φωτός από το γαλαξιακό κέντρο. Είναι, επίσης, το πιο μυστήριο μέρος του Γαλαξία. Πιστεύεται ότι, περίπου, το 95% του Γαλαξία αποτελείται από σκοτεινή ύλη, ένας τύπος ύλης που φαίνεται να μην αλληλεπιδρά καθόλου με το υπόλοιπο της ύλης και της ενέργειας του Γαλαξία, εκτός φυσικά μέσω τη βαρύτητα. Στον φωτοστέφανο αυτό βρίσκεται σχεδόν όλη η σκοτεινή ύλη του Γαλαξία, που έχει πάνω από δέκα φορές περισσότερη μάζα απ' ό,τι όλα τα ορατά αστέρια, αέριο, και σκόνη στον υπόλοιπο Γαλαξία. Η φωτεινή ύλη αποτελείται περίπου από 90.000.000.000 ηλιακές μάζες. Ενώ ο φωτοστέφανος σκοτεινής ύλης είναι πιθανό να περιλαμβάνει, περίπου, 600.000.000.000 έως 3.000.000.000.000 ηλιακές μάζες σκοτεινής ύλης.

Θεωρίες για τη φύση της σκοτεινής ύλης

Η φύση της σκοτεινής ύλης στο γαλαξιακό φωτοστέφανο των σπειροειδών γαλαξιών είναι ακόμα ακαθόριστη, αλλά υπάρχουν δύο δημοφιλείς θεωρίες: είτε ο φωτοστέφανος αποτελείται από τα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντας Σωματίδια, γνωστά κι ως WIMPs, ή περιέχει ένα μεγάλο αριθμό μικρών, σκοτεινών αντικειμένων,  γνωστών ως MACHOs. Φαίνεται απίθανο ο φωτοστέφανος να αποτελείται από μεγάλες ποσότητες αερίου και σκόνης, επειδή και τα δύο οφείλουν να είναι ανιχνεύσιμα μέσω των παρατηρήσεων. Αναζητήσεις για γεγονότα βαρυτικού μικροεστιασμού στο φωτοστέφανο του Γαλαξία δείχνουν ότι ο αριθμός των MACHOs είναι πιθανά μη επαρκής για να εξηγήσει την απαραίτητη μάζα.

Πηγή: Wikipedia