Vajon egy galaxis és a körülötte lévő sötétanyag-halo forgása igazodik egymáshoz? És mit tudunk meg ebből a korai Világegyetemről? A korai Univerzum galaxisainak adatain végzett hidrodinamikai szimulációk segíthetnek megválaszolni ezeket a kérdéseket.

Egy galaxis és sötétanyag-halójának (kék) illusztrációja. (Forrás: ESO/L. Calçada

Bár a sötét anyaggal kapcsolatos kutatások napjainkban virágkorukat élik, a csillagászok az 1980-as évekig még csak nem is tudtak a dolog létezéséről. Jelenleg a sötét anyag segítségével bármit vizsgálhatunk a gravitációs erőtől a galaxisok szerkezetéig és fejlődéséig. A sötét anyag tanulmányozása a kozmológiára is kihat, és segíthet abban, hogy jobban megértsük a Világegyetem kezdeti körülményeit. Egész pontosan a galaxis és a sötétanyag-halo forgásának viszonya alapján felállíthatjuk a sötét anyag viselkedését leíró állapotegyenletet (amiből megismerhetjük a galaxis tömegét, és megfejthetjük a dinamikáját).

A galaxisokból álló Lövedék-halmaz. A röntgensugárzás rózsaszínben, a gravitációs lencsézés adatai pedig kékben láthatók. Ez a halmaz a sötét anyag jelenlétének egyik füstölgő puskacsöve. (Forrás: NASA/CXC/M. Weiss)

Két fő kérdés merül fel: először, hogy mennyire igazodik a galaxisok megfigyelhető forgása a sötétanyag-halo forgásához, amely nem mérhető?

Egy galaxis forgásának illusztrációja. A keringési sebesség a központtól való távolságtól függetlenül állandó, ami sötét anyag jelenlétére utal a halóban. (Forrás: ESO)

Numerikus szimulációk alapján úgy tűnik, hogy a galaxisok és az őket körülvevő sötétanyag-halo forgása alapvetően eltérhet egymástól. A másik, valószínűleg még fontosabb kérdés, hogy mire utal ez az eltérés? Ha a forgások nem igazodnak egymáshoz, akkor az azt jelenti, hogy a galaxis csillagainak mozgását nem befolyásolják a környező gravitációs tér változásai? Ha a válasz igen, akkor többé nem használhatjuk a látható anyag forgását a kozmológiai vizsgálatokhoz. A szöuli egyetem kutatója, Jounghun Lee vezette munkacsoport erre a második kérdésre próbál választ találni hidrodinamikai szimulációk segítségével.

A kozmikus háló szimulációja. A fénypontok egy-egy galaxist jelölnek, amelyek kozmikus szálak mentén helyezkednek el. (Forrás: Illustris Project)

A kutatók az IllustrisTNG szimulációkkal modellezték a galaktikus dinamikát. Ez a szoftver a galaxis csillagkeletkezési arányától a szupernóvák visszacsatolásán át a fekete lyukak növekedéséig minden tényezőt figyelembe vesz a fizikai folyamatok feltérképezéséhez. Amikor a Világegyetem nagyjából 9 milliárd éves volt, a látható anyag és a szupernóva-robbanásokhoz hasonló események a kozmikus háló szálai mentén lokalizálódtak, amelyek összekapcsolták a galaxisok forgását a sötétanyag-halókéval. Ez lehetővé teszi a korai kozmológiai folyamatok vizsgálatát. Azonban abban az időszakban, amikor a Világegyetem körülbelül 5 milliárd éves volt, a kozmikus háló szálai még nem alakultak ki, és elég egyenletes volt az anyagsűrűség, így ezek a folyamatok véletlenszerűen mentek végbe, nem volt követhető rendszerük. Ennek következtében akkoriban a galaxisok és a sötétanyag-halók forgása nem kapcsolódott össze.

Lee és munkatársai megállapították, hogy az olyan tulajdonságok, mint a fekete lyuk – csillagtömeg arány, a fajlagos csillagkeletkezési ráta (a csillagok keletkezési rátája egységnyi csillagtömegre vonatkoztatva), valamint az átlagos fémtartalom vagy arányos vagy fordítottan arányos azzal, hogy milyen szöget zár be a galaxis csillagainak és a sötét anyag halójának forgása.

A jövőben közvetlen jeleket fognak keresni a galaxis és a sötétanyag-halo forgása közötti összhang hiányának okaira a Világegyetem legkorábbi időszakában, modellezik a rendszert, és vizsgálják a jelenség összefüggését a Világegyetem kezdeti állapotával.

A kutatás eredményeit bemutató szakcikk a The Astrophysical Journal című szaklapban jelent meg.

Forrás: AAS Nova