Ciemna galaktyka, która nie powinna świecić, emituje delikatne światło. Nowe obserwacje pokazują bladą, gazową galaktykę świecącą jak kosmiczna jarzeniówka.
Miała być dowodem na istnienie prawdziwie ciemnych galaktyk – pełnych ciemnej materii i gazu, ale pozbawionych gwiazd. Tymczasem FAST J0139+4328, czyli obiekt odkryty w danych z chińskiego radioteleskopu FAST, okazał się czymś zupełnie innym. Nowe, dużo głębsze obserwacje pokazały, iż czarna galaktyka jednak świeci, choć tak słabo, jakby ktoś zostawił w kosmosie dogorywającą jarzeniówkę.
Ciemne galaktyki i zagadka brakujących sąsiadów
Współczesny model kosmologiczny ΛCDM zakłada, iż we wszechświecie dominują dwa składniki: ciemna materia i ciemna energia. Ciemna materia buduje rozległe halo – niewidzialne grawitacyjne szkielety, w których powinny osadzać się galaktyki. Symulacje komputerowe mówią, iż wokół dużych galaktyk, takich jak Droga Mleczna, powinny krążyć setki małych towarzyszek osadzonych w takich halo.
Problem w tym, iż w obserwacjach widzimy ich dużo mniej. To tzw. problem brakujących satelitów: teoria domaga się chmar galaktyk karłowatych, a teleskopy wyłapują tylko część z nich. Jednym z proponowanych rozwiązań było istnienie ciemnych galaktyk – obiektów, w których gaz nie zdołał zamienić się w gwiazdy albo zrobił to w śladowych ilościach. Taka galaktyka byłaby w radiu widoczna jako chmura neutralnego wodoru (oznaczanego symbolem HI), ale pozostałaby praktycznie niewidoczna w świetle, które widzą nasze oczy i klasyczne teleskopy optyczne.
FAST J0139+4328 to idealny kandydat na galaktykę widmo
W 2023 r. radioteleskop FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) w Chinach zarejestrował rotującą chmurę wodoru na obrzeżach lokalnego wszechświata, około 28,8 megaparseka od Ziemi, czyli mniej więcej 94 mln lat świetlnych. Obiekt ochrzczono nazwą FAST J0139+4328.
Neutralny wodór HI w galaktykach świeci w bardzo konkretnej długości fali radiowej, pozwalając mierzyć masę gazu i ruch rotującej chmury. W tym przypadku sygnał był wyraźny: coś kręciło się tam jak mała galaktyka. Gdy jednak astronomowie zajrzeli w to samo miejsce w danych z przeglądu Pan-STARRS1, nie zobaczyli nic.
To milczenie optyczne wywołało spore poruszenie. FAST J0139+4328 wydawała się być wszystkim, o czym marzyli teoretycy: izolowaną, samotną, pozbawioną gwiazd ciemną galaktyką, która nie jest tylko wyrwanym w czasie zderzenia strzępem gazu.
Głębokie zdjęcia zdradzają bladą, błękitną galaktykę
Dopiero zespół astronomów z Belgradu i Rosji postanowił sprawdzić, czy ciemność FAST J0139+4328 to fakt, czy raczej ograniczenie dotychczasowych przeglądów. Zamiast polegać na standardowych, stosunkowo płytkich zdjęciach nieba, sięgnęli po długie, mozolne ekspozycje małych, ale bardzo czułych teleskopów Milanković (1,4 m) i Nedeljković (0,6 m).
W praktyce oznaczało to wielogodzinne naświetlanie tego samego fragmentu nieba w różnych filtrach i sprytne łączenie kadrów tak, by maksymalnie wyczyścić tło z szumu. Tego typu galaktyki mają ekstremalnie niską jasność powierzchniową – rozmazane światło rozlewa się na dużym obszarze, przez co ginie w tle, gdy ekspozycja jest za krótka.
Kiedy dane wreszcie zsumowano, ciemna galaktyka przestała być niewidzialna. W miejscu, gdzie wcześniej widziano tylko radiowy obłok, pojawiła się rozproszona, nieregularna, błękitnawa struktura. To klasyczny podpis galaktyki o niskiej jasności powierzchniowej (LSB – low surface brightness): realnie obecne gwiazdy, ale rozrzucone tak rzadko, iż całość świeci ledwie ponad próg wykrywalności.
Z analizy wynika, iż FAST J0139+4328 ma masę gwiezdną rzędu 7,2×10⁶ mas Słońca, z niepewnością sięgającą kilku milionów słońc w każdą stronę. To typowe wartości dla małej galaktyki karłowatej, ale szczegóły rozkładu światła wskazują, iż jest wyjątkowo rozmyta i delikatna.
Rekordowy stosunek wodoru do gwiazd
To, co naprawdę wyróżnia FAST J0139+4328, to proporcje między materią gazową a gwiazdową. Z radiowych pomiarów wodoru HI wynika, iż galaktyka zawiera ponad 11 razy więcej gazu niż gwiazd. W języku astronomów stosunek masy HI do masy gwiazdowej wynosi około 11,5, z dość dużą niepewnością, ale i tak jest to wynik ekstremalny.
Typowe galaktyki dyskowe, takie jak Droga Mleczna, mają dużo większy udział materii gwiazdowej. W FAST J0139+4328 to gaz jest głównym magazynem materii, a gwiazdy są jedynie cienką, rozproszoną dekoracją. To tak, jakbyśmy patrzyli na miasto, w którym jest mnóstwo pustych działek budowlanych i tylko trochę domów porozrzucanych na obrzeżach.
Taki układ sugeruje, iż proces powstawania gwiazd był tu nieefektywny lub często przerywany. Galaktyka przez miliardy lat zgromadziła duże ilości wodoru, ale tylko niewielką część zdołała przekształcić w gwiazdy. Z punktu widzenia fizyki galaktyk to żywe laboratorium pokazujące, jak materii można nie wykorzystać do końca.
Jarzeniówka na krańcu wszechświata: słabe świecenie w linii Hα
Kolejny krok w demaskowaniu ciemnej galaktyki wykonał 6-metrowy Wielki Teleskop Azymutalny (BTA). Astronomowie skierowali na FAST J0139+4328 spektrograf, czyli instrument rozkładający światło na tęczę i pozwalający mierzyć konkretne linie emisyjne.
Szczególnie ważna jest linia Hα, pochodząca z przejść elektronów w atomach wodoru. Kiedy gaz jest zjonizowany, czyli atomy wodoru zostały ogołocone z elektronów, a potem z powrotem je przechwytują – emituje charakterystyczne czerwone światło. W galaktykach to zwykle znak, iż w pobliżu działają bardzo energetyczne źródła promieniowania: masywne, młode gwiazdy, szoki, a czasem aktywne jądra galaktyczne.
W przypadku FAST J0139+4328 linia Hα okazała się obecna, ale wyjątkowo słaba. Jej prędkość zgadza się z prędkością, jaką wcześniej zmierzono dla chmury wodoru HI – to ten sam obiekt, jeden spójny, wirujący układ.
Skąd więc to delikatne świecenie, skoro nie widać silnych, młodych regionów gwiazdotwórczych? Naukowcy sugerują, iż w grę wchodzą gorące, stare gwiazdy o małej masie, które w późnych etapach ewolucji przez cały czas produkują na tyle energii, by powoli jonizować otaczający gaz. Efekt jest podobny do zużytej jarzeniówki: lampa wciąż się żarzy, ale nie ma już ostrego, białego blasku.
FAST J0139+4328 miała być dowodem na istnienie galaktyk, w których gwiazdy nigdy się nie zapaliły. Okazała się jednak kosmiczną lampą o niemal wyczerpanej baterii, świecącą zbyt słabo, by dostrzec ją przy pobieżnym spojrzeniu. To odkrycie oczywiście nie rozwiązuje wszystkich zagadek ciemnej materii i brakujących galaktyk, ale przypomina, iż wszechświat jest pełen obiektów, które wymykają się prostym kategoriom jasne i ciemne. Czasem trzeba po prostu dłużej patrzeć w mrok, żeby zobaczyć, jak naprawdę wygląda.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
Jest tego więcej
Ustaw Spider’s Web jako preferowane medium w Google