Crater II, duża, ciemna galaktyka satelitarna, wykazuje właściwości podważające tradycyjne teorie zimnej ciemnej materii. Lepszego wyjaśnienia dostarcza teoria SIDM, sugerująca interakcje ciemnej materii, które zmniejszają gęstość i zwiększają rozmiar galaktyki, co jest zgodne z obserwacjami.
Crater II, położony około 380 000 lat świetlnych od Ziemi, jest jedną z największych galaktyk satelitarnych Drogi Mlecznej. Wyjątkowo zimny i zawierający wolno poruszające się gwiazdy Crater II ma niską jasność powierzchniową. Jednak jego największą zagadką jest to, w jaki sposób się uformował.
Wyzwania w zrozumieniu Crater II
Galaktyka satelitarna to mniejsza galaktyka krążąca wokół większej galaktyki macierzystej. Ciemna materia stanowi 85% materii Wszechświata i pod wpływem grawitacji może tworzyć kulistą strukturę zwaną halo ciemnej materii. Niewidoczne halo przenika i otacza galaktyki takie, jak Crater II. Fakt, że Crater II jest wyjątkowo zimny, wskazuje, że jego halo ma niską gęstość. Od czasu jego odkrycia w 2016 roku podjęto wiele prób odtworzenia niezwykłych właściwości Crater II, ale okazało się to bardzo trudne.
Hai-Bo Yu wyjaśnia, że Crater II wyewoluował w polu pływowym Drogi Mlecznej i doświadczył interakcji pływowych z galaktyką macierzystą, podobnie jak ziemskie oceany doświadczają sił pływowych pod wpływem grawitacji Księżyca. Teoretycznie interakcje pływowe mogą zmniejszać gęstość halo ciemnej materii.
Jednak najnowsze pomiary orbity Crater II wokół Drogi Mlecznej sugerują, że siła oddziaływań pływowych jest zbyt słaba, aby obniżyć gęstość ciemnej materii w tej galaktyce satelitarnej tak, aby była zgodna z jej parametrami, jeśli mamy przyjąć założenie zgodne z dominującą teorią zimnej ciemnej materii, czyli CDM, a mianowicie, że ciemna materia składa się z zimnych, bezkolizyjnych cząstek. Kolejną zagadką jest to, w jaki sposób Crater II uzyskał tak duże rozmiary, ponieważ interakcje pływowe zmniejszają rozmiar galaktyki satelitarnej, gdy ta ewoluuje w polu pływowym Drogi Mlecznej.
Na ilustracji: Naszą galaktykę, Drogę Mleczną, otacza około pięćdziesiąt galaktyk karłowatych. Większość z tych galaktyk można zidentyfikować jedynie za pomocą teleskopów, a ich nazwy pochodzą od konstelacji, w której pojawiają się na niebie (na przykład Draco, Rzeźbiarz lub Lew). Dwie najjaśniejsze galaktyki karłowate to Wielki Obłok Magellana (LMC) i Mały Obłok Magellana (SMC), które są widoczne gołym okiem. Źródło: ESA/Gaia/DPAC
Nowa teoria samo-oddziałującej ciemnej materii (SIDM)
Yu i jego zespół odwołują się do innej teorii, aby wyjaśnić właściwości i pochodzenie Crater II. Nowa teoria samo-oddziałującej ciemnnej materiią (SIDM) w przekonujący sposób wyjaśnia różnorodne rozkłady ciemnej materii. Postuluje ona, że za samo-oddziaływanie cząstek ciemnej materii odpowiada ciemna siła, zaś same cząstki silnie zderzają się ze sobą w pobliżu centrum galaktyki.
Nasza praca pokazuje, że SIDM może wyjaśnić niezwykłe właściwości Crater II – mówi Yu. – Kluczowym mechanizmem jest to, że wzajemne interakcje ciemnej materii termalizują halo Crater II i tworzą jądro o płytkiej gęstości, to znaczy gęstość ciemnej materii zostaje spłaszczona przy małych promieniach. Dla kontrastu, w halo CDM gęstość gwałtownie wzrosłaby w kierunku centrum galaktyki.
Według Yu w SIDM stosunkowo mała siła oddziaływań pływowych, zgodna z tym, czego można się spodziewać na podstawie pomiarów orbity Crater II, jest wystarczająca, aby obniżyć gęstość ciemnej materii Crater II, co jest zgodne z obserwacjami.
Co ważne, rozmiar galaktyki zwiększa się również w halo SIDM, co wyjaśnia duży rozmiar Crater II – mówi Yu. – Cząstki ciemnej materii są po prostu luźniej związane w jądrze halo SIDM niż w takim, jakie przewiduje teoria CDM. Nasza praca pokazuje, że SIDM lepiej niż CDM wyjaśnia, jak powstał Crater II.
Więcej informacji: publikacja „Self-interacting Dark Matter Interpretation of Crater II”, Xingyu Zhang, Hai-Bo Yu, Daneng Yang i Haipeng An, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad50cd
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna galaktyki satelitarnej. Źródło: SciTechDaily.com
