Ett team ledd av astronomer vid University of California, Riverside, har funnit att vissa dvärggalaxer idag kan tyckas vara fria från mörk materia även om de bildades som galaxer som tidigare dominerades av mörk materia.

Galaxer som verkar ha lite eller ingen mörk materia – icke-ljusande material som tros utgöra 85 % av materia i universum – komplicerar astronomers förståelse av universums mörka materiainnehåll. Sådana galaxer, som nyligen har hittats i observationer, utmana en kosmologisk modell som används av astronomer som kallas Lambda Cold Dark Matter, eller LCDM, där alla galaxer är omgivna av en massiv och utsträckt mörk materiahalo.

Mörk materia-fria galaxer är inte väl förstådda i det astronomiska samhället. Ett sätt att studera de möjliga bildningsmekanismerna för dessa svårfångade galaxer – de ultradiffusa DF2- och DF4-galaxerna är exempel – är att hitta liknande objekt i numeriska simuleringar och studera deras tidsutveckling och de omständigheter som leder till förlust av mörk materia.

Jessica Doppel, en doktorand vid UC Riverside Department of Physics and Astronomy och den första författaren till forskningsartikel publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , förklarade att i ett LCDM-universum borde alla galaxer domineras av mörk materia.

"Det är utmaningen, ", sa hon. "Att hitta analoger i simuleringar av vad observatörer ser är betydande och inte garanterat. Att börja fastställa ursprunget för dessa typer av objekt och deras ofta avvikande klotklusterpopulationer tillåter oss att ytterligare stelna vårt teoretiska ramverk av mörk materia och galaxbildning och bekräftar att inga alternativa former av mörk materia behövs. Vi fann att kall mörk materia fungerar bra."

För studien, forskarna använde kosmologisk och hydrodynamisk simulering som kallas Illustris, som erbjuder en galaxbildningsmodell som inkluderar stjärnutveckling, supernova feedback, tillväxt av svarta hål, och sammanslagningar. Forskarna fann att ett par "dvärggalaxer" i kluster hade liknande stjärninnehåll, antal klotkluster, och mörk materia massa som DF2 och DF4. Som namnet antyder, en dvärggalax är liten, som omfattar upp till flera miljarder stjärnor. I kontrast, Vintergatan, som har mer än 20 kända dvärggalaxer som kretsar kring den, har 200 till 400 miljarder stjärnor. Globulära hopar används ofta för att uppskatta innehållet av mörk materia i galaxer, speciellt dvärgar.

Forskarna använde Illustris-simuleringen för att undersöka ursprunget till udda dvärggalaxer som DF2 och DF4. De hittade simulerade analoger till mörkmateriafria dvärgar i form av objekt som hade utvecklats inom galaxhoparna under lång tid och förlorat mer än 90 % av sin mörka materia via tidvattenstripning – borttagningen av material genom galaktiska tidvattenkrafter .

"Intressant, samma mekanism för tidvattenavdrivning kan förklara andra egenskaper hos dvärgar som DF2 och DF4 - till exempel, det faktum att de är "ultradiffusa" galaxer, " sa medförfattaren Laura Sales, en docent i fysik och astronomi vid UCR och Doppels doktorandrådgivare. "Våra simuleringar föreslår en kombinerad lösning på både strukturen hos dessa dvärgar och deras låga innehåll av mörk materia. Eventuellt, extrem tidvattenmassaförlust i annars normala dvärggalaxer är hur ultradiffusa objekt bildas."

I samarbete med forskare vid Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland, Säljgruppen arbetar för närvarande med förbättrade simuleringar som har mer detaljerad fysik och en numerisk upplösning som är cirka 16 gånger bättre än Illustris-simuleringen.

"Med dessa uppgifter, vi kommer att kunna utvidga vår studie till att även omfatta dvärgar med lägre massa, som är rikligare i universum och förväntas vara mer mörk materia som domineras i deras centra, gör dem mer utmanande att förklara, Doppel sade. "Vi kommer att undersöka om tidvattenavdrivning kunde ge en väg till att utarma dvärgar av deras inre innehåll av mörk materia. Vi planerar att göra förutsägelser om dvärgarnas stjärna, klothop, och innehåll av mörk materia, som vi sedan kommer att jämföra med framtida observationer."