Isolerad i miljarder år, en galax med mer mörk materia packad i sin kärna än väntat har identifierats av astronomer med hjälp av data från NASA:s Chandra X-ray Observatory.

Galaxen, känd som Markarian 1216 (förkortad som Mrk 1216), innehåller stjärnor som är inom 10 % av universums ålder – det vill säga, nästan lika gammal som universum självt. Forskare har funnit att den har gått igenom en annan utveckling än vanliga galaxer, både när det gäller dess stjärnor och den osynliga mörka materien som, genom gravitationen, håller ihop galaxen. Mörk materia står för cirka 85% av materien i universum, även om det bara har upptäckts indirekt.

Mrk 1216 tillhör en familj av elliptiskt formade galaxer som är tätare packade med stjärnor i sina centra än de flesta andra galaxer. Astronomer tror att de härstammar från rödaktiga, kompakta galaxer kallade "röda klumpar" som bildades ungefär en miljard år efter big bang, men sedan avstannade sin tillväxt för cirka 10 miljarder år sedan.

Om denna förklaring är korrekt, då borde den mörka materien i Mark 1216 och dess galaktiska kusiner också vara tätt packade. För att testa denna idé för första gången, ett par astronomer studerade röntgenljusstyrkan och temperaturen hos het gas på olika avstånd från Mrk 1216:s centrum, så att de kunde "väga" hur mycket mörk materia som finns i mitten av galaxen.

"När vi jämförde Chandra-data med våra datormodeller, vi fann att en mycket starkare koncentration av mörk materia krävdes än vi finner i andra galaxer med liknande total massa, ", sa David Buote från University of California i Irvine. "Detta berättar för oss att Mrk 1216s historia skiljer sig mycket från den typiska galaxen. I princip alla dess stjärnor och mörk materia samlades för länge sedan med lite tillsats under de senaste 10 miljarderna åren."

Enligt den nya studien, en gloria, eller suddig sfär, av mörk materia bildades runt centrum av Mrk 1216 cirka 3 eller 4 miljarder år efter den stora smällen. Denna halo förväntas ha sträckt sig över ett större område än stjärnorna i galaxen. Bildandet av en sådan röd klumpgalax var typiskt för ett brett spektrum av elliptiska galaxer som ses idag. Dock, till skillnad från Mrk 1216, de flesta gigantiska elliptiska galaxer fortsatte att gradvis växa i storlek när mindre galaxer smälte samman med dem under kosmisk tid.

"Åldrarna och den täta koncentrationen av stjärnorna i kompakta elliptiska galaxer som Mrk 1216, sett relativt nära, gav det första nyckelbeviset att de är ättlingar till de röda kulorna som ses på stora avstånd, " sa medförfattaren Aaron Barth, också från University of California i Irvine. "Vi tror att den kompakta storleken på den mörka materiens halo som ses här fastställer fallet."

Tidigare, astronomer uppskattade att det supermassiva svarta hålet i Mrk 1216 är mer massivt än väntat för en galax med dess massa. Denna senaste studie, dock, kom fram till att det svarta hålet sannolikt kommer att väga mindre än cirka 4 miljarder gånger solens massa. Det låter mycket, men det kanske inte är ovanligt massivt för en galax så stor som Mrk 1216.

Författarna sökte också efter tecken på utbrott från det supermassiva svarta hålet i mitten av galaxen. De såg antydningar av håligheter i den heta gasen liknande de som observerades i andra massiva galaxer och galaxhopar som Perseus, men mer data behövs för att bekräfta deras närvaro.

Mrk 1216-data ger också användbar information om mörk materia. Eftersom mörk materia aldrig har observerats direkt, vissa forskare ifrågasätter om det överhuvudtaget existerar. I studien, Buote och Barth tolkade Chandra-data med både standard, "Newtonska" gravitationsmodeller och en alternativ teori känd som modifierad newtonsk dynamik, eller "MOND" utformad för att ta bort behovet av mörk materia i typiska galaxer. Resultaten visade att båda teorierna om gravitation krävde ungefär samma extraordinära mängd mörk materia i centrum av Mrk 1216, effektivt tar bort behovet av MOND-förklaringen.

"I framtiden hoppas vi kunna gå ett steg längre och studera mörk materias natur, " sade Buote. "Den täta ansamlingen av mörk materia i mitten av Mrk 1216 kan ge ett intressant test för icke-standardiserade teorier som förutsäger mindre centralt koncentrerad mörk materia, såsom för mörk materia partiklar som interagerar med varandra på ett annat sätt än gravitation."

Ett dokument som beskrev dessa resultat publicerades den 1 juni, 2019 års nummer av The Astrofysisk tidskrift .