När det kommer till galaxer, hur snabbt är snabbt? Vintergatan, en genomsnittlig spiralgalax, snurrar med en hastighet av 130 miles per sekund (210 km/sek) i vår Suns grannskap. Ny forskning har funnit att de mest massiva spiralgalaxerna snurrar snabbare än väntat. Dessa "superspiraler, "den största väger ungefär 20 gånger mer än vår Vintergatan, snurra med en hastighet av upp till 350 miles per sekund (570 km/sek).

Superspiraler är exceptionella på nästan alla sätt. Förutom att vara mycket mer massiv än Vintergatan, de är också ljusare och större i fysisk storlek. Den största spännvidden 450, 000 ljusår jämfört med Vintergatans 100, 000 ljusårs diameter. Endast cirka 100 superspiraler är kända hittills. Superspiraler upptäcktes som en viktig ny klass av galaxer när man studerade data från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) samt NASA/IPAC Extragalactic Database (NED).

"Superspiraler är extrema på många sätt, säger Patrick Ogle från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. "De slår rekorden för rotationshastigheter."

Ogle är första författare till en artikel som publicerades den 10 oktober, 2019, i Astrofysiska tidskriftsbrev . Tidningen presenterar nya data om rotationshastigheterna för superspiraler som samlats in med Southern African Large Telescope (SALT), det största enskilda optiska teleskopet på södra halvklotet. Ytterligare data erhölls med hjälp av 5-meters Hale-teleskopet från Palomar Observatory, drivs av California Institute of Technology. Data från NASA:s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) uppdrag var avgörande för att mäta galaxmassorna i stjärnor och stjärnbildningshastigheter.

Med hänvisning till den nya studien, Tom Jarrett vid University of Cape Town, Sydafrika säger, "Detta arbete illustrerar vackert den kraftfulla synergin mellan optiska och infraröda observationer av galaxer, avslöjar stjärnrörelser med SDSS och SALT-spektroskopi, och andra stjärnegenskaper - särskilt stjärnmassan eller "ryggraden" i värdgalaxerna - genom WISE mellaninfraröd avbildning."

Teorin tyder på att superspiraler snurrar snabbt eftersom de är belägna inom otroligt stora moln, eller halos, av mörk materia. Mörk materia har varit kopplad till galaxrotation i årtionden. Astronomen Vera Rubin var banbrytande i arbetet med galaxrotationshastigheter, visar att spiralgalaxer roterar snabbare än om deras gravitation enbart berodde på de ingående stjärnorna och gasen. En ytterligare, osynligt ämne som kallas mörk materia måste påverka galaxens rotation. En spiralgalax med en given massa i stjärnor förväntas rotera med en viss hastighet. Ogles team finner att superspiraler avsevärt överstiger den förväntade rotationshastigheten.

Superspiraler finns också i halos som är större än genomsnittet av mörk materia. Den mest massiva halo som Ogle mätte innehåller tillräckligt med mörk materia för att väga minst 40 biljoner gånger så mycket som vår sol. Den mängden mörk materia skulle normalt innehålla en grupp galaxer snarare än en enda galax.

"Det verkar som om en galaxs spinn bestäms av massan av dess mörka materia-halo, "Ogle förklarar.

Det faktum att superspiraler bryter det vanliga förhållandet mellan galaxmassan i stjärnor och rotationshastigheten är ett nytt bevis mot en alternativ gravitationsteori känd som Modifierad Newtonsk dynamik, eller MOND. MOND föreslår att på de största skalorna som galaxer och galaxhopar, gravitationen är något starkare än vad Newton eller Einstein skulle förutsäga. Detta skulle orsaka de yttre regionerna av en spiralgalax, till exempel, att snurra snabbare än annars förväntat baserat på dess massa i stjärnor. MOND är utformad för att återskapa standardförhållandet i spiralrotationshastigheter, därför kan den inte förklara extremvärden som superspiraler. Superspiralobservationerna tyder på att ingen icke-newtonsk dynamik krävs.

Trots att de är de mest massiva spiralgalaxerna i universum, superspiraler är faktiskt underviktiga i stjärnor jämfört med vad som kan förväntas för mängden mörk materia de innehåller. Detta tyder på att den stora mängden mörk materia hämmar stjärnbildningen. Det finns två möjliga orsaker:1) All ytterligare gas som dras in i galaxen kraschar ihop och värms upp, hindrar den från att svalna och bilda stjärnor, eller 2) Galaxens snabba spin gör det svårare för gasmoln att kollapsa mot inverkan av centrifugalkraft.

"Det här är första gången vi har hittat spiralgalaxer som är så stora som de någonsin kan bli, säger Ogle.

Trots dessa störande influenser, superspiraler kan fortfarande bilda stjärnor. Även om de största elliptiska galaxerna bildade alla eller de flesta av sina stjärnor för mer än 10 miljarder år sedan, superspiraler bildar fortfarande stjärnor idag. De omvandlar cirka 30 gånger solens massa till stjärnor varje år, vilket är normalt för en galax av den storleken. Som jämförelse, vår Vintergatan bildar ungefär en solmassa av stjärnor per år.

Ogle och hans team har föreslagit ytterligare observationer för att svara på nyckelfrågor om superspiraler, inklusive observationer utformade för att bättre studera gasens och stjärnornas rörelser i deras skivor. Efter lanseringen 2021, NASA:s rymdteleskop James Webb kunde studera superspiraler på större avstånd och motsvarande yngre åldrar för att lära sig hur de utvecklas över tiden. Och NASA:s WFIRST-uppdrag kan hjälpa till att hitta fler superspiraler, som är ytterst sällsynta, tack vare dess stora synfält.