Năm 2016, các nhà thiên văn học dẫn đầu bởi Pieter van Dokkum của Đại học Yale xuất bản một tờ giấy bom tuyên bố đã khám phá ra một thiên hà quá mờ, nhưng lại quá rộng và nặng nề, đến mức gần như hoàn toàn vô hình. Họ ước tính rằng thiên hà có tên là Dragonfly 44 có 99.99% là vật chất tối.

Một cuộc tranh luận sôi nổi xảy ra sau đó về các thuộc tính của Dragonfly 44 vẫn chưa được giải quyết. Trong khi đó, hơn 1,000 thiên hà lớn nhưng mờ nhạt tương tự đã xuất hiện.

Dragonfly 44 và đồng loại của nó được gọi là thiên hà siêu khuếch tán (UDGs). Mặc dù chúng có thể lớn bằng các thiên hà thông thường lớn nhất, nhưng các UDG đặc biệt mờ - mờ đến mức, trong các cuộc khảo sát bầu trời bằng kính viễn vọng, “nhiệm vụ lọc tiếng ồn mà không vô tình lọc ra các thiên hà này,” Paul Bennet, một nhà nghiên cứu cho biết. nhà thiên văn học tại Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian ở Baltimore. Khí hình thành sao sáng dồi dào trong các thiên hà khác dường như đã biến mất trong UDG, chỉ để lại bộ xương của những ngôi sao già.

Sự tồn tại của chúng đã gây chấn động trong thuyết tiến hóa thiên hà, thuyết này đã thất bại trong việc dự đoán chúng. “Chúng không xuất hiện trong mô phỏng,” van Dokkum nói. “Bạn phải làm điều gì đó đặc biệt để tạo ra một thiên hà lớn và mờ nhạt như vậy.”

Các lý thuyết mới hoang dã đã xuất hiện để giải thích cách Dragonfly 44 và các UDG khác ra đời. Và những vệt sáng khổng lồ này có thể cung cấp bằng chứng mới về bàn tay vô hình của vật chất tối.

Quá nhiều vật chất tối

Khi lực hấp dẫn mang các khối khí và các ngôi sao lại với nhau, năng lượng và động lượng kết hợp của chúng khiến khối hỗn hợp phồng lên và quay. Cuối cùng một thiên hà xuất hiện.

Chỉ có một vấn đề. Khi các thiên hà quay, chúng sẽ tách ra. Chúng dường như không có đủ khối lượng - và do đó không có lực hấp dẫn - để dính vào nhau. Khái niệm vật chất tối được phát minh để cung cấp lực hấp dẫn còn thiếu. Trong bức ảnh này, một thiên hà nằm bên trong một tập hợp lớn hơn gồm các hạt không phát sáng. “Vầng hào quang” vật chất tối này giữ cho thiên hà đang quay lại với nhau.

Một cách để ước tính tốc độ quay của một thiên hà, và do đó hàm lượng vật chất tối của nó, là đếm các cụm sao hình cầu của nó. “Chúng tôi không biết tại sao, từ quan điểm lý thuyết,” Bennet nói, nhưng số lượng “cụm sao cầu” này tương quan chặt chẽ với những đặc tính khó đo lường hơn đó. Trong bài báo năm 2016, van Dokkum đã đếm được 94 cụm sao cầu bên trong Dragonfly 44 - một con số ám chỉ một quầng vật chất tối cực lớn, mặc dù thiên hà có rất ít vật chất nhìn thấy được.

Không ai từng thấy bất cứ điều gì giống như nó. Van Dokkum và các đồng tác giả cho rằng Dragonfly 44 có thể là một “Dải Ngân hà thất bại”: một thiên hà có quầng vật chất tối cỡ Dải Ngân hà đã trải qua một sự kiện bí ẩn từ rất sớm đã cướp đi khí hình thành sao của nó, để lại nó với không có gì ngoài những ngôi sao già cỗi và một vầng hào quang khổng lồ.

Hoặc Không Có Vật Chất Tối

Vật thể này đã thu hút sự quan tâm của một nhóm các nhà thiên văn học khác, những người cho rằng vật chất tối hoàn toàn không tồn tại. Các nhà nghiên cứu này giải thích lực hấp dẫn bị thiếu của các thiên hà bằng cách thay đổi định luật hấp dẫn của Newton, một cách tiếp cận được gọi là động lực học Newton đã sửa đổi, hay MOND.

Theo MOND, lực hấp dẫn đã sửa đổi đối với mỗi thiên hà được tính từ tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng của các ngôi sao của nó – tổng khối lượng của chúng chia cho độ sáng của chúng. Các nhà lý thuyết MOND không suy đoán tại sao lực lại phụ thuộc vào tỷ lệ này, nhưng công thức đặc biệt của họ phù hợp với tốc độ quan sát được của hầu hết các thiên hà mà không cần viện đến vật chất tối.

Khi có tin tức về Dragonfly 44, người ủng hộ MOND Stacy McGaugh, một nhà thiên văn học tại Đại học Case Western Reserve, đã tính toán từ tỷ lệ khối lượng trên ánh sáng của nó rằng nó sẽ quay chậm hơn ước tính ban đầu của van Dokkum đã chỉ ra. Tính toán MOND dường như không phù hợp với dữ liệu.

Nhưng rồi đến năm 2019, nhóm của van Dokkum đã hạ cấp tốc độ quay của Dragonfly 44 sử dụng dữ liệu được cải thiện. MOND đã được minh oan. McGaugh cho biết: “Chuồn chuồn 44 là một ví dụ về cách những dữ liệu này phát triển để phù hợp với MOND.

Tuy nhiên, đối với phần lớn các nhà thiên văn học tin vào vật chất tối, tốc độ quay chậm hơn chỉ ngụ ý rằng vầng hào quang của Dragonfly 44 nhỏ hơn họ nghĩ. Vào năm 2020, một nhóm độc lập đã thu nhỏ hơn nữa quầng sáng bằng cách đếm cụm sao cầu ít hơn đáng kể, nhưng van Dokkum phản đối kết quả này. Mặc dù kích thước của quầng sáng vẫn chưa chắc chắn, nhưng nó có thể nhỏ hơn so với giả định ban đầu, cho thấy rằng Dragonfly 44 rốt cuộc không phải là một Dải Ngân hà thất bại.

Thiên hà lớn cũ

Một điều kỳ lạ mới được phát hiện đã làm phức tạp thêm bí ẩn.

In một tờ giấy được công bố vào tháng 44, nhóm của van Dokkum đã tìm thấy Dragonfly 10 cực kỳ cổ xưa, đã hình thành từ 13 tỷ đến XNUMX tỷ năm trước.

Nhưng một thiên hà cũ như vậy không nên lớn như Dragonfly 44. Các vật thể trong vũ trụ sơ khai có xu hướng nhỏ gọn hơn vì chúng hình thành trước khi vũ trụ giãn nở nhanh chóng.

Hơn nữa, một thiên hà cũ kỹ xơ xác như vậy lẽ ra phải bị xé nát hoàn toàn vào lúc này. Việc Dragonfly 44 liên kết với nhau ngụ ý rằng rốt cuộc nó có một quầng vật chất tối khổng lồ — có khả năng khôi phục giả thuyết “Dải Ngân hà thất bại”. “Đó là một lời giải thích thực sự thú vị, vì vậy đó là lý do tại sao tôi thích nó, nhưng tôi không biết liệu nó có đúng không,” van Dokkum nói.

Một cách giải thích khác, giả thuyết “spin cao”, thừa nhận rằng hai thiên hà nhỏ hợp nhất trong khi quay theo cùng một hướng, sao cho thiên hà thu được, Dragonfly 44, thu được động lượng góc của cả hai. Điều này khiến nó quay nhanh hơn, phồng nó ra và thổi bay vật chất tạo sao của nó.

UDG đa dạng đến kinh ngạc

Trong quá trình nghiên cứu Dragonfly 44, các nhà thiên văn học cũng đã lập danh mục một bộ sưu tập đa dạng và phong phú các thiên hà siêu khuếch tán khác. Những phát hiện buộc họ phải kết luận rằng các thiên hà hình thành theo nhiều cách hơn những gì họ biết.

Một số UDG mới phát hiện dường như hoàn toàn thiếu vật chất tối. nhóm Van Dokkum đã xác định được một thiên hà như vậy vào năm 2018, sau đó phát hiện dấu vết của những người khác gần đó. Tháng XNUMX này, đội phỏng đoán in Thiên nhiên rằng dấu vết hình thành trong một vụ va chạm từ lâu của hai thiên hà. Vụ va chạm làm chậm dòng khí của các thiên hà, nhưng vật chất tối của chúng vẫn tiếp tục như không có gì xảy ra. Khí sau đó bị nén lại thành các cụm sao, cuối cùng tạo thành một chuỗi các thiên hà không có vật chất tối.

Trong khi đó Bennet đã phát hiện ra hai UDG vào năm 2018 chỉ ra một lý thuyết hình thành khác. Trong mỗi trường hợp, lực thủy triều từ một thiên hà nặng gần đó dường như đã xé toạc UDG, đẩy nó ra ngoài và lấy cắp khí của nó. (Điều này không thể giải thích được Dragonfly 44, nằm quá xa các thiên hà nặng.)

khó hiểu, một bài báo tháng chín đã báo cáo về sự hình thành sao gần đây trong UDG, mâu thuẫn với ý kiến ​​cho rằng chúng chỉ chứa những ngôi sao cũ.

Một loạt các UDG trông giống nhau về bề ngoài nhưng khác nhau bên trong có thể xác thực lý thuyết vật chất tối so với MOND. “Nếu các ngôi sao di chuyển rất nhanh trong một thiên hà và rất chậm trong thiên hà kia, thì đó là một vấn đề lớn đối với những lý thuyết thay thế đó,” van Dokkum nói.

McGaugh đồng ý rằng nếu có “những ngoại lệ thực sự” trong cộng đồng UDG, thì “đó thực sự là một vấn đề đối với MOND.” Tuy nhiên, ông nói thêm, “điều đó không tự động làm cho vật chất tối trở thành một cách giải thích tốt hơn.”

Câu trả lời dứt khoát sẽ yêu cầu kính viễn vọng mới. Kính viễn vọng Không gian James Webb mới hoạt động đã phát hiện ra các thiên hà xa xôi khi chúng xuất hiện khi chúng hình thành trong vũ trụ sơ khai, điều này sẽ giúp kiểm tra và tinh chỉnh các ý tưởng mới hình thành.

“Điều quan trọng là chúng ta vẫn chưa biết ngoài kia có gì,” van Dokkum nói. “Có những thiên hà mà chúng tôi chưa phát hiện ra có kích thước rất lớn, rất gần và có những đặc tính khác thường, và chúng không có trong danh mục hiện tại của chúng tôi ngay cả sau ngần ấy thập kỷ nghiên cứu bầu trời.”