Tri galaksije, jedna misterija
Stručni tim je odabrao tri galaksije iz projekta ALPAKA, identificirane kao ID1, ID3 i ID13, koje su diskovi koji se rotiraju na uredan način. S podacima u ruci, provodili su iscrpno modeliranje: mjerili su sjaj i distribuciju zvijezda (podijeli ih na “disk i središnju izbožu) i plin. Zatim su izračunali koliko će masa biti prisutna u svakoj komponenti (zvijezde, plin i tamna tvar) kako bi se točno proizvela rotacija opažena ALMA-om.
Modeli su bili u mogućnosti dobro razmnožavati rotaciju u vanjskim regijama galaksija. Međutim, u svim slučajevima, oni sustavno nisu uspjeli predvidjeti visoke brzine rotacije mjerene u najizrakama. Model je podcjenjivao brzinu, što ukazuje na nedostatak mase u centru prema njihovim izračunima. Primjećujući modele vlakne mase, nalazimo da oni reproduciraju opći oblik rotacijske krivulje za tri galaksije. Međutim, u svakom slučaju modeli sustavno podcjenjuju kružnu brzinu u središnjim regijama, objašnjava studija.Drugim riječima, za ono što vide (brza rotacija u središtu) kako bi se podudarali ono što mjere (količina svjetlosti od zvijezda i plina), mora biti više mase nego što su u mogućnosti odgovarati svojim početnim pretpostavkama.
Što bi moglo biti skrivanje te nestale mase?
Istraživači su istraživali nekoliko hipoteza za rješavanje ove slagalice, uvijek pokušavajući biti što je moguće konzervativniji u svojim pretpostavkama.
Pretpostavili su da se središnja zvjezdana izbočina može sastojati od starije populacije od diska, te stoga biti masivnija za istu količinu svjetlosti koju emitira (ima veći omjer mase i svjetlosti). Također su smatrali da bi ova izbočina mogla biti mnogo više zamagljena prašinom, što je uzrokovalo da se svjetlo dosegne na nas privrnuto i izgleda manje masivno nego što zapravo jest. Obje ideje su uvjerljive i poboljšavaju model fit.
Koncentracija mase u središtu, kao što je div crna rupa, ubrzao bi rotaciju oko nje. Crna rupa koja slijedi tipične udio lokalnih galaksija ne bi bila dovoljna da objasni zapažanja. Međutim, ako su ove crne rupe bile izuzetno masivne za njihove galaksije domaćina, kao što su predložila neka nedavna otkrića JWST-a u vrlo mladim galaksijama, mogu značajno pridonijeti.
Tamna stvar, nevidljiva komponenta koja formira gravitacijske skele galaksija, obično je modelirana sa specifičnim profilom gustoće (NFW profil). Moguće je da je u ovim mladim galaksijama tamna tvar centralno koncentrirana nego što se očekivalo, bilo zbog procesa povezanih s formiranjem galaksije ili sa samom prirodom same tamne tvari.
Studija kombinira podatke iz svemirskog teleskopa James Webb i ALMA opservatorija po prvi put do “vaganje galaksije od kozmičkog podneva, pronalazeći iznenađujući nedostatak mase u svojim centrima.
Međunarodni tim astronoma je pažljivo pogledao tri udaljene galaksije i otkrio da u njihovim središnjim regijama, nešto nedostaje u smislu maseIli, preciznije, da postoji nešto nešto nešto — bilo to izvanredna koncentracija starih zvijezda, prašine koja skriva svjetlo, ogromno velike crne rupe, ili čak neočekivana distribucija tamne tvari koju trenutni modeli ne mogu u potpunosti objasniti. Ovaj je zaključak, objavljen u nedavnoj studiji, omogućen je zahvaljujući neviđenoj kombinaciji: oštrom infracrvenom oku svemirskog teleskopa James Webb (JWST) i sposobnosti promatranja hladnog plina koji pruža ALMA radio teleskopom u Čileu.
Istraživanje je usredotočeno na ključnu eru svemira poznatog kao kozmičko podne, prije oko 10 milijardi godina, kada je formacija zvijezda bila na vrhuncu. Razumijevanje kakvih su galaksija u to vrijeme ključno je za znanje kako su se razvile u one koje danas vidimo, kao što je naš Mliječni put.
Određivanje od čega je galaksija napravljena i kako se njezina masa distribuira nije jednostavan zadatak, osobito na tako velikim udaljenostima. Znanstvenici koriste dokazanu metodu: promatrajući kako se galaksije rotiraju. Baš kao što brzina planeta oko Sunca otkriva masu naše zvijezde, brzina kojom se zvijezde i plin rotiraju unutar galaksije otkriva snagu gravitacije u svakoj točki i stoga, kako se masa (od zvijezda, plina i tamne tvari) koja je stvara distribuira.
Do sada, proučavanje takvih udaljenih galaksija predstavljalo je dva velika problema. S jedne strane, bilo je nedostatak dovoljno detaljnih slika na pravim valnim duljinama kako bi se vidjela prava distribucija starih zvijezda, koje čine većinu zvjezdane mase. S druge strane, bilo je teško točno pratiti rotaciju hladnog plina (gorivo za zvijezde), što je najbolji “tracer za mjerenje gravitacije jer se kreće na uredan način. Prethodna istraživanja koristila su topliji plin, čije kretanje može biti poremećeno zvjezdanim eksplozijama ili crnim rupama, što je rezultiralo manje pouzdanim mjerenjem.
Tri galaksije su proučavane. Credit: F. Román-Oliveira et al. 2026
Ova nova studija je prevladala te prepreke. Po prvi put za galaksije na tim udaljenostima, istraživači su kombinirali dva ključna dijela: gotovo infracre slike iz JWST-a, koje bolje prodiru prašinu i pokazuju svjetlo iz dominantne zvjezdane populacije, otkrivajući proširene diskove spiralnim rukama. A rotirajuće karte hladnog plina (ugljični monoksid ili atomskog ugljika) dobivene ALMA-om, u sklopu projekta ALPAKA, koji pružaju vrlo čistu mjeru gravitacije.
Ovi obećavajući rezultati samo su uvid onoga što se može postići s najsuvremenijim objektima, napomenuju autori.
Modeli su bili u mogućnosti dobro razmnožavati rotaciju u vanjskim regijama galaksija. Međutim, u svim slučajevima, oni sustavno nisu uspjeli predvidjeti visoke brzine rotacije mjerene u najizrakama. Model je podcjenjivao brzinu, što ukazuje na nedostatak mase u centru prema njihovim izračunima. Primjećujući modele vlakne mase, nalazimo da oni reproduciraju opći oblik rotacijske krivulje za tri galaksije. Međutim, u svakom slučaju modeli sustavno podcjenjuju kružnu brzinu u središnjim regijama, objašnjava studija.
Drugim riječima, za ono što vide (brza rotacija u središtu) kako bi se podudarali ono što mjere (količina svjetlosti od zvijezda i plina), mora biti više mase nego što su u mogućnosti odgovarati svojim početnim pretpostavkama.
Što bi moglo biti skrivanje te nestale mase?
Istraživači su istraživali nekoliko hipoteza za rješavanje ove slagalice, uvijek pokušavajući biti što je moguće konzervativniji u svojim pretpostavkama.
Pretpostavili su da se središnja zvjezdana izbočina može sastojati od starije populacije od diska, te stoga biti masivnija za istu količinu svjetlosti koju emitira (ima veći omjer mase i svjetlosti). Također su smatrali da bi ova izbočina mogla biti mnogo više zamagljena prašinom, što je uzrokovalo da se svjetlo dosegne na nas privrnuto i izgleda manje masivno nego što zapravo jest. Obje ideje su uvjerljive i poboljšavaju model fit.
Koncentracija mase u središtu, kao što je div crna rupa, ubrzao bi rotaciju oko nje. Crna rupa koja slijedi tipične udio lokalnih galaksija ne bi bila dovoljna da objasni zapažanja. Međutim, ako su ove crne rupe bile izuzetno masivne za njihove galaksije domaćina, kao što su predložila neka nedavna otkrića JWST-a u vrlo mladim galaksijama, mogu značajno pridonijeti.
Tamna stvar, nevidljiva komponenta koja formira gravitacijske skele galaksija, obično je modelirana sa specifičnim profilom gustoće (NFW profil). Moguće je da je u ovim mladim galaksijama tamna tvar centralno koncentrirana nego što se očekivalo, bilo zbog procesa povezanih s formiranjem galaksije ili sa samom prirodom same tamne tvari.
Također su smatrali da je daljinski faktor konverzije koji se koristi za izračun mase plina iz njegove emisije (nesigurna vrijednost) mnogo niža u središtu, što znači da je plin tamo zapravo bio masivniji. Međutim, ova se opcija čini malo vjerojatno i ne poboljšava modele.
Implikacije za proučavanje tamne tvari
Ovaj rad ima važnu implikaciju za druge studije koja tvrde da su otkrili “jezgre ili manje guste regije tamna stvar u središtima udaljenih galaksija. Tim pokazuje da je, čak i s najboljim trenutno dostupnim podacima, iznimno teško dobiti čvrsta ograničenja u pogledu točne raspodjele tamne tvari kada su nesigurnosti u pogledu vidljivih komponenti (zvijezde i plin) još uvijek značajne.
Mračne tvari koje pronalaze unutar radijusa svojih galaksija (oko 20%) su slične onima drugih galaksija, kako lokalnih i udaljenih. Međutim, naše tumačenje se razlikuje od prethodnih studija koje su tako niske vrijednosti povezale s profilima tamne tvari. Otkrili smo da standardni NFW halosi mogu reproducirati opažanja bez pozivanja na jezgre, oni pojašnjavaju. To jest, ono što drugi mogu protumačiti kao “nedostatak tamne tvari u središtu, mogu objasniti standardnim modelom, pod uvjetom da su zvjezdane komponente dovoljno masivne.
