Hubble odkrywa CDG-2 – galaktykę widmo składającą się w 99% z ciemnej materii

Kosmiczny Teleskop Hubble’a należący do NASA zidentyfikował nieuchwytny obiekt niebieski znany jako CDG-2, galaktykę o niskiej jasności powierzchniowej, która pozostaje niemal niewidoczna dla tradycyjnych metod obserwacji. Znajdująca się około 300 milionów lat świetlnych stąd w gromadzie w Perseuszu, ta rzadka „galaktyka-duch” składa się w około 99% z ciemnej materii, co stanowi wyzwanie dla istniejących modeli powstawania i trwania galaktyk. W przeciwieństwie do typowych galaktyk, które świecą jasno dzięki miliardom gwiazd, CDG-2 zawiera jedynie rzadkie skupiska słabych populacji gwiezdnych, co czyni ją jednym z obiektów o największej dominacji ciemnej materii, jakie kiedykolwiek zarejestrowali astronomowie.

Czym jest CDG-2 i dlaczego jest niemal niewidoczna?

CDG-2 (Candidate Dark Galaxy-2) to ultra-dyfuzyjna galaktyka o niskiej jasności powierzchniowej, która jest niemal niewidoczna, ponieważ emituje niezwykle mało światła gwiazd w stosunku do swoich ogromnych rozmiarów. Podczas gdy typowa galaktyka definiowana jest przez jej świecące gwiazdy, 99% masy CDG-2 stanowi ciemna materia – niewidzialna substancja, która nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, przez co galaktyka ta jawi się na obrazach głębokiego kosmosu jako słaba, upiorna poświata.

Charakterystyka fizyczna CDG-2 jest niezwykle ekstremalna w porównaniu z Drogą Mleczną lub innymi jasnymi galaktykami spiralnymi. Wstępna analiza przeprowadzona przez naukowców sugeruje, że CDG-2 posiada całkowitą jasność odpowiadającą mniej więcej 6 milionom gwiazd podobnych do Słońca, co jest znikomą ilością dla galaktyki o takiej skali grawitacyjnej. Większość jej „zwyczajnej” materii barionowej – w szczególności wodoru gazowego niezbędnego do zainicjowania powstawania nowych gwiazd – została prawdopodobnie odarta w wyniku intensywnych oddziaływań grawitacyjnych z innymi masywnymi galaktykami wewnątrz gromady w Perseuszu. To środowiskowe „wyjałowienie” pozostawiło galaktykę ze szkieletową populacją gwiazd, zdominowaną niemal całkowicie przez jej niewidzialne halo ciemnej materii.

Czym są gromady kuliste i jak pomagają wykrywać ciemne galaktyki?

Gromady kuliste to gęste, zwarte grupy starych gwiazd, które są powiązane grawitacyjnie, służąc jako wiarygodne „znaczniki” niewidzialnej masy we wszechświecie. Ponieważ gromady te są ciasno upakowane i odporne na rozerwanie przez siły pływowe, ich obecność w zwartym zgrupowaniu wskazuje na masywną, niewidoczną kotwicę grawitacyjną – konkretnie ciemną materię – utrzymującą je na miejscu pomimo braku widocznych gwiazd.

Metodologia użyta do zidentyfikowania CDG-2 stanowi znaczący przełom w astronomii pozagalaktycznej. Zespół badawczy, którym kierował David Li z University of Toronto, zastosował zaawansowane techniki statystyczne w poszukiwaniu ciasnych skupisk tych gromad. Wykorzystując wysokiej rozdzielczości obrazy z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, obserwatorium Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) oraz Teleskopu Subaru na Hawajach, astronomowie potwierdzili obecność zbioru czterech gromad kulistych w gromadzie w Perseuszu. „Jest to pierwsza galaktyka wykryta wyłącznie dzięki populacji jej gromad kulistych” – stwierdził Li, zauważając, że gromady te odpowiadają za około 16% widzialnego światła galaktyki.

Czy może istnieć więcej ciemnych galaktyk, których jeszcze nie znaleźliśmy?

Astrofizycy uważają, że w kosmicznej sieci może kryć się ogromna, nieodkryta jeszcze populacja ciemnych galaktyk, a CDG-2 jest prawdopodobnie tylko „wierzchołkiem góry lodowej”. W miarę rozszerzania przeglądów nieba, badacze coraz częściej wykorzystują uczenie maszynowe i modelowanie statystyczne do identyfikacji tych ukrytych systemów, które wcześniej wymykały się detekcji ze względu na ograniczenia czułości tradycyjnych teleskopów.

Odkrycie CDG-2 ma istotne znaczenie dla naszego zrozumienia formowania się galaktyk i rozkładu ciemnej materii. Zgodnie z tradycyjnymi teoriami powstawania gwiazd, galaktyka o tak niskiej gęstości gwiazd powinna mieć trudności z utrzymaniem integralności strukturalnej. Jednak przeważająca obecność ciemnej materii zapewnia niezbędny grawitacyjny „klej”, który zapobiega rozszarpaniu galaktyki przez potężne siły pływowe gromady w Perseuszu. Istnienie CDG-2 sugeruje, że:

• Halo ciemnej materii mogą istnieć niemal bez towarzyszącej im masy gwiazdowej.
• Gromady galaktyk mogą skrywać tysiące „galaktyk-duchów”, które są obecnie zbyt słabe, by je dostrzec.
• Standardowe modele ewolucji galaktyk mogą wymagać uwzględnienia bardziej zróżnicowanych procesów odzierania środowiskowego.

Wyzwanie dla fundamentów ewolucji galaktyk

Przetrwanie strukturalne CDG-2 w środowisku o wysokiej gęstości, jakim jest gromada w Perseuszu, sugeruje, że nasz obecny spis wszechświata jest niepełny. Jeśli CDG-2 jest reprezentatywna dla większej klasy obiektów, oznacza to, że „brakujące ogniwo” między halo ciemnej materii a widzialnymi galaktykami może być powszechniejsze, niż wcześniej sądzono. Odkrycie to, opublikowane w The Astrophysical Journal Letters, zapewnia nowe laboratorium do testowania natury cząstek ciemnej materii, ponieważ gęstość i rozkład materii wewnątrz CDG-2 dostarczają wskazówek na temat tego, jak ta tajemnicza substancja zachowuje się na przestrzeni miliardów lat.

Przyszłe kierunki badań głębokiego kosmosu

Patrząc w przyszłość, poszukiwania galaktyk o niskiej jasności powierzchniowej wejdą w erę wysokiej precyzji dzięki rozmieszczeniu obserwatoriów nowej generacji. Podczas gdy Kosmiczny Teleskop Hubble’a nadal dostarcza danych o wysokiej rozdzielczości niezbędnych do identyfikacji gromad kulistych, nadchodzące misje, takie jak Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman należący do NASA oraz Obserwatorium Very C. Rubin, będą prowadzić przeglądy szerokiego pola zdolne do znalezienia tysięcy kandydatów na ciemne galaktyki. Misje te pozwolą naukowcom mapować rozkład ciemnej materii z niespotykaną dotąd dokładnością, przybliżając nas do rozwiązania jednej z największych zagadek współczesnej fizyki.

Kosmiczny Teleskop Hubble’a, owoc współpracy NASA i ESA, pozostaje na czele tych badań. Zarządzany przez Goddard Space Flight Center należący do NASA, z operacjami naukowymi prowadzonymi przez Space Telescope Science Institute (STScI), Hubble od trzech dekad nieustannie redefiniuje granice obserwowalnego wszechświata. Identyfikując obiekty takie jak CDG-2, Hubble dostarcza dowodów empirycznych potrzebnych do wypełnienia luki między kosmologią teoretyczną a widzialnymi gwiazdami, które wypełniają nasze nocne niebo.