Wszechświat skrywa obiekty, które wymykają się naszym wyobrażeniom o kosmosie. Chińscy astronomowie odkryli samotny obłok wodoru, który nie świeci światłem gwiazd i nie ma widocznej galaktyki w swoim otoczeniu. Czy właśnie znaleźli jedną z najbardziej tajemniczych struktur we Wszechświecie?
Obiekt oznaczony jako J1351+0039 może być jednym z najlepszych dotychczas kandydatów na tak zwaną ciemną galaktykę. Modele kosmologiczne od dawna przewidują istnienie podobnych obiektów. W wnętrzu tej ciemnej chmury znajduje się neutralny wodór o masie odpowiadającej niemal 500 tys. mas Słońca. To jednak dopiero początek zagadki. Cały układ może mieć masę około 130 mln Słońc, a mimo to astronomowie nie znaleźli w nim żadnych widocznych gwiazd.
Wyniki badań zespołu Jina-Longa Xu z chińskich Narodowych Obserwatoriów Astronomicznych opublikowano w serwisie preprintów arXiv.
Więcej na Spider’s Web:
Galaktyka, która nie zapaliła ani jednej gwiazdy
Galaktyki zobaczyć można dzięki gwiazdom. choćby niewielkie galaktyki karłowate zawierają gwiazdy, które pozwalają astronomom dostrzec je na zdjęciach nieba. J1351+0039 jest jednak zupełnie innym rodzajem obiektu, skupiskiem gazu uwięzionym w rozległym halo ciemnej materii, które nigdy nie przekształciło się w zwyczajną galaktykę.
Jak do tego doszło? Zenek Martyniunk odpowiedziałby: „nie wiem”, ale astronomom, by to nie wystarczyło. Ich zdaniem odpowiedź kryje się w warunkach panujących we wczesnym Wszechświecie. Po okresie zwanym rejonizacją przestrzeń wypełniło promieniowanie ultrafioletowe pochodzące między innymi od pierwszych gwiazd i kwazarów. Mogło ono ogrzać gaz znajdujący się w niewielkich skupiskach ciemnej materii na tyle mocno, iż nie był on w stanie ochłodzić się i zagęścić do poziomu potrzebnego do rozpoczęcia formowania gwiazd.
W takich warunkach powstaje kosmiczny galaktyczny niewypał. Ma gaz i grawitację, ale nie ma gwiazd, które mogłyby go rozświetlić. Astronomowie nazywają tego rodzaju struktury obłokami H I ograniczonymi przez rejonizację, w uproszczeniu RELHIC. Określenie ciemna galaktyka jest bardziej obrazowe.
Chiński radioteleskop znalazł coś, czego nie widać na zdjęciach
Jak zatem odkryć obiekt, który nie świeci światłem gwiazd? Z pomocą przychodzą fale radiowe. Zespół Jina-Longa Xu wykorzystał chiński radioteleskop FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope), którego czasza ma aż 500 m średnicy.
Instrument ten potrafi wykrywać sygnały emitowane przez neutralny wodór, czyli atomy wodoru, których protony i elektrony pozostają połączone. Gaz ten emituje charakterystyczne promieniowanie radiowe o długości fali około 21 cem. Dzięki temu astronomowie mogą badać obłoki gazu choćby wtedy, gdy nie towarzyszą im widoczne gwiazdy.
Wyniki pokazały, iż obłok zawiera neutralny wodór o masie około 480 tys. mas Słońca. To jednak tylko część jego zawartości. Na podstawie ruchu gazu badacze oszacowali masę całego układu na około 130 mln mas Słońca. Oznacza to, iż większość jego masy stanowi coś, czego nie potrafimy wykryć. Główny podejrzany jest jeden i jest to ciemna materia.
Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej kosmologii. Nie emituje ani nie odbija światła w sposób pozwalający obserwować ją bezpośrednio, ale jej obecność można wnioskować na podstawie oddziaływania grawitacyjnego na widoczną materię.
W przypadku J1351+0039 astronomowie szacują, iż masa dynamiczna obiektu jest około 200 razy większa od masy jego zwykłej materii barionowej. To niezwykle wysoki stosunek, wskazujący na dominację ciemnej materii. Pamiętajmy jednak, iż naukowcy nie wykryli bezpośrednio ciemnej materii. Wnioskują o jej obecności na podstawie tego, jak zachowuje się gaz.
Istotne jest również to, iż badacze nie znaleźli żadnych oznak typowego pochodzenia obłoku z oddziaływań grawitacyjnych z innymi galaktykami. Nie zaobserwowali gazowych mostów, wydłużonych ogonów ani pobliskich towarzyszy, które mogłyby świadczyć o tym, iż materia została wyrwana z większego obiektu.
Obłok ma temperaturę 10 tys. stopni
Kolejna wskazówka dotyczy temperatury. Gaz w J1351+0039 ma około 10 tys. kelwinów, czyli mniej więcej 9727 stopni Celsjusza.
Aby powstała gwiazda, materia musi zgromadzić się w odpowiednio gęstym obszarze i ochłodzić na tyle, by grawitacja mogła skutecznie ściskać gaz. o ile gaz pozostaje zbyt gorący i rozproszony, ciśnienie utrudnia jego zapadanie się. W efekcie proces formowania gwiazd może w ogóle się nie rozpocząć.
Właśnie dlatego J1351+0039 jest tak interesujący. Jego niemal kulisty kształt, temperatura oraz adekwatności ruchu gazu pasują do scenariusza, w którym obłok nigdy nie przeszedł typowej ewolucji prowadzącej do powstania gwiazd.
Nie jest to jednak jeszcze ostateczny dowód. Obserwacje optyczne przeprowadzone w ramach przeglądu DESI Legacy Survey nie ujawniły żadnego odpowiednika gwiazdowego, ale choćby bardzo słaba galaktyka karłowata może pozostać niewidoczna, jeżeli jej światło jest rozproszone na zbyt dużym obszarze. Naukowcy nie wykluczają więc, iż w obłoku mogą znajdować się nieliczne, wyjątkowo słabe gwiazdy.
Gaz nie wiruje jak zwyczajna galaktyka
Astronomowie przyjrzeli się również temu, jak porusza się materia w J1351+0039. W typowej galaktyce dyskowej, takiej jak Droga Mleczna, duża część gazu i gwiazd krąży wokół centrum w uporządkowany sposób. Rotacja odgrywa istotną rolę w utrzymywaniu kształtu całego układu.
W nowo odkrytym obiekcie sytuacja wygląda inaczej. Prędkość rotacji gazu wynosi zaledwie około 4,2 km/s, podczas gdy prędkość związana z jego chaotycznymi ruchami osiąga około 11,6 km/s. Innymi słowy, przypadkowe ruchy cząstek mają znacznie większe znaczenie niż uporządkowane wirowanie.
Taki obłok można porównać do skupiska gazu, które nie jest podtrzymywane przede wszystkim przez rotację, ale przez ciśnienie wynikające z ruchu jego składników. To kolejna cecha zgodna z modelem RELHIC.
Jeśli dalsze obserwacje potwierdzą, iż obłok rzeczywiście nie zawiera gwiazd, astronomowie zyskają wyjątkowe laboratorium do badania ciemnej materii i początkowych etapów ewolucji galaktyk. Być może okaże się, iż Wszechświat jest pełen takich kosmicznych widm, struktur, które nigdy nie rozbłysły światłem gwiazd, ale wciąż zdradzają swoją obecność dzięki grawitacji i radiowemu sygnałowi wodoru.
