Kosmologi

Stjerners rotation om galakser styres af massen indenfor deres bane Diskussion fra "the Conversation"
Stjerners rotationshastighed om deres galakse, styres af hvor meget masse der er indenfor deres bane. Allerede i 1930'erne fandt astronomen Fritz Zwicky at stjernerne roterer for hurtigt i forhold til galaksernes kendte masse. Det ledte til en Modificeret Newtonsk Dynamik teori (MOND) som forklarer anomalien ved at antage at den gravitionelle kraft af omkredsende masse er et produkt af dens masse og acceleration, som dog aldrig har passet helt med den kosmologiske model.

Men da man senere fandt at der også mangler masse mellem galakserne, begyndte man at lede efter en skjult mørk masse, som ingen endnu har haft held med at måle eller bevise, udover dens formodede masse.

Men ikke alle astronomer er helt overbevist om at den mørke masse findes .. selvom de ikke har kunnet komme med skudsikre alternative forklaringer.

Så nu forslår Juri Smirnov fra Syddansk Universitet at der kan være en effekt kaldet Vainshtein screening på spil. Ifølge den effekt kan en central masses tyngdeeffekt forstærkes over større afstande, på samme måde som MOND teorien postulerer. Denne effekt vil være proportional med den centrale masse. Dermed vil Solens tyngdeeffekt udenfor en radius af 50.000AU (7.500 mia km) være større end den vi oplever inde i solsystemet. For galakser centrale tyngdefelter gør effekten sig gældende udenfor nogle tusinder lysår, mens det vil være millioner lysår for galaksehobe.

Men til astronomernes overraskelse er denne teori bedre til at forklare stjernernes rotation om galakser, end relativitetsteorien som antager at der er mørk masse. Derfor vil forskere prøve at teste teorien over de større afstande med flere eksperimenter, skriver Juri Smirnov i The Conversation
Et forskerhold unde ledelse af Olga Cucciati fra Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) i Bologna, Italien har anvendt instrumentet VIMOS på ESOs Very Large Telescope (VLT), til opdagelsen af en gigantisk proto-superhob af galakser, som er under dannelse i det tidlige Univers; kun 2,3 milliarder år efter Big Bang.
Strukturen har fået navnet Hyperion, og det er den største og mest massive struktur, som indtil nu er fundet så tidligt efter Universets dannelse. Den enorme hob indeholder masse i et omfang som en million milliarder gange mere end Solens masse. Det er en størrelse, som modsvarer hvad astronomerne finder omkring os idag, men at noget så stort fandtes for så længe siden, har været en overraskelse for astronomerne.

Hyperion proto-supergalaksehoben
"Det er første gang, man har fundet så stor en struktur ved så høj en rødforskydning; blot 2 milliarder år efter Big Bang," forklarede hovedforfatteren på artiklen, hvor opdagelsen er publiceret, Olga Cucciati[ "Normalt finder vi den slags strukturer ved mindre rødforskydninger; det vil sige senere, hvor Universet har haft mere tid til at udvikle sig og danne så store tingester. Det var en overraskelse for os, at der findes noget så stort i det relativt unge Univers."

Hyperion befinder sig i det område i stjernebilledet Sextans, eller Sekstanten, som kaldes COSMOSfeltet. Fundet er gjort under analyser af den enorme datamængde, som er indsamlet i VIMOS Ultra-deep Survey- projektet, som ledes af Oliver Le Fèvre fra Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), Centre national de la recherche scientifique (CNRS), og Centre National d’Etudes Spatiales (CNES). VIMOS Ultra-Deep Survey projektet har til formål at give forskerne et nyt 3D-kort over fordelingen i rummet af mere end 10 000 galakser i Universets fjerne områder.

Forskerholdet har fundet ud af, at Hyperion har en meget kompleks struktur: Den indeholder mindst 7 koncentrerede områder, som så er forbundet til hinanden med filamenter bestående af galakser, og størrelsen er sammenlignelig med nogle af de nærere superhobe, selvom strukturen er meget anderledes.

"De superhobe, som er tættere på Jorden har som oftest en mere koncentreret massefordeling, med klart definerede strukturelle detaljer. Men i Hyperion er masserne fordelt meget mere ensartet i en serie af forbundne klumper bestående af ret åbne galaksegrupper."" forklarer astronom Brian Lemaux, fra University of California, som er en af forskerne i gruppen bag nyopdagelsen.

Forskellen her skyldes sandsynligvis at de nære superhobe har haft milliarder af år, hvor tyngdekraften har fået mulighed for at samle stoffet sammen til tættere områder - og det er meget længere tid, end der har været til rådighed i den meget yngre Hyperion.

Når man tager i betragtning, at Hyperion allerede så tidligt i Universets historie har den enorme størrelse, forventes den at udvikle sig til noget, som vil komme til at ligne de enorme strukturer i det lokale Univers, som for eksempel Virgo superhoben, som vores egen galakse, Mælkevejen tilhører. "Når vi forstår Hyperion, og hvordan dens sammenhæng er med lignende nutidige strukturer, vil vi bedre kunne forstå, hvordan Universet har udviklet sig i fortiden, og hvordan det kommer til at udvikle sig i fremtiden. Det giver os tillige mulighed for at se nærmere på nogle af modellerne for dannelse af superhobene. Det, at vi nu har fundet denne kosmiske kæmpe, vil hjælpe os til bedre at forstå historien bag disse store strukturer." sluttede Cucciati.
Kilde: ESO
Supermassive sorte huller Teoretikere mener at have fundet at svar på hvor den sorte masse om galakserne kan stamme fra og samtidigt forklare hvordan de tidligste supermassive sorte huller kunne dannes.
Da de sorte huller begyndte at dannes, kunne de enten vokse sig store eller samle en masse mørkt stof om sig.
Dannelserne startede med tilfældige sammenklumpninger af stof i det tidlige univers, men tidligere modeller har ikke kunnet forklare hvordan nogle voksede sig meget store. Resonanserne vil tilfældigt favorisere nogle af disse klumper og dermed styrke dem. De små andre klumper kan så have samlet det mørke stof om de klumper som så endte som galakser, som jo består af 80% mørkt stof Univserity of Leiden
COSMOS-AzTEC-1 monster galaksen fotogrefer af ALMA De første galakser dannedes om de tidlige supermassive sorte huller (kaldet "ur-sorte huller"). men man har aldrig helt kunne forklare hvorfor de ikke blev ved at vokse, men istedet ret tidligt begyndte at samle stof om sig, som blev til galakser.
COSMOS-AzTEC-1 har mystificeret astronomerne fordi den liger 12,4 mia lysår herfra, men alligevel synes at danne stjerner 1000x hurtigere end noget andet man har set, hvilket burde være teoretisk umuligt, fordi de centrale sorte huller så kort tid efter deres dannelse, burde være ét kaos.

Men nye observationer med ALMA som har 10x højere opløsning end noget tidligere har kunnet, har forbløffet teoretikerne, fordi de viser en nydeligt roterende galakse med enorme stjernedannelser i armene, istedet for det forventede kaos skriver University of Massachuset
Observationer bekræfter relativitetsteori For første gang har astronomerne fået bekræftelse på de virkninger, som er forudsagt af Einsteins Generelle Relativitetsteori for stjerner, som bevæger sig igennem de voldsomme tyngdefelter tæt ved det supertunge sorte hul i centeret af vores Mælkevej. Det er observationer med ESOs Very Large Telescope, som har givet resultatet, som er kulminationen af 26 års observationer med ESOs teleskoper i Chile.

Det supertunge sorte hul, som er tættest på Jorden, er 26.000 lysår borte i Mælkevejens centrum, men er skjult af tætte støvskyer. Det monstrøse sorte hul vejer 4 mio. Sol-masser og er omgivet af en sværm af stjerner, som kredser om det med stor fart. Det helt ekstremt kraftige tyngdefelt her - det stærkeste i vores galakse - er det perfekte laboratorium for at afprøve tyngdekraftens fysik, og specielt Einsteins Generelle Relativitetsteori.

Det er nye infrarøde observationer med de meget følsomme instrumenter GRAVITY, SINFONI og NACO på ESO’s Very Large Telescope (VLT), som har givet astronomerne muligheden for at følge en af disse stjerner (som har fået navnet S2), imens den passerede meget tæt forbi det sorte hul i maj 2018. Tættest på var stjernen mindre end 20 mia. km fra det sorte hul, og den susede forbi med en hastighed, som var over 25 mio. km/t - Næsten 3% af lysets hastighed!

Observationer af S2's passage ind om Mælkevejens centrale sorte hul
Observationer af S2's passage ind om Mælkevejens centrale sorte hul

Forskerholdet har sammenlignet positionerne og hastighederne målt med henholdsvis GRAVITY og SINFONI, og har sammenlignet med tidligere observationer af S2 gjort med andre instrumenter. Newtons Love, generel relativitet og andre teorier angående tyngdekræfter er testet, og resultaterne viser klart, at Newtons love ikke er tilstrækkelige, men at der er overordentlig fin overensstemmelse med forudsigelserne gjort med generel relativitet.

Det er et internationalt hold ledet af Reinhard Genzel fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, Tyskland, som har udført de ekstremt præcise målinger, i samarbejde med partnere over hele Verden; Paris Observatory–PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, University of Cologne, Portuguese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação og ESO. Observationsresultaterne er højdepunktet i en serie mere og mere præcise observationer hen over 26 år af Mælkevejens centrum udført med ESO-instrumenter.

"Det er anden gang, vi har observeret S2 i tæt passage af det sorte hul i galaksens centrum. Men denne gang har vi meget bedre instrumenter, og derfor kan vi observere stjernen med en hidtil uset nøjagtighed" forklarer Genzel. "Vi har forberedt os omhyggeligt til denne hændelse i de sidste mange år, fordi vi ville have så meget som muligt ud af denne enestående chance for at se effekterne af generel relativitet."

De nye målinger viser klart den effekt, som kaldes gravitationel rødforskydning. Lyset fra stjernen bliver strakt til længere bølgelængder af det meget stærke tyngdefelt fra det sorte hul. Og ændringen i bølgelængden for lyset fra S2 passer præcist med den, som forudsiges i Einsteins Generelle Relativitetsteori. Det er første gang, at denne afvigelse fra den klassiske Newtonske teori for tyngdekraften er blevet observeret ud fra en stjernes bevægelse omkring et supertungt sort hul.

Forskerne brugte SINFONI til at måle S2's hastighed imod eller væk fra retningen til Jorden, og instrumentet GRAVITY i VLT Interferometeret (VLTI) til at foretage ekstremt præcise bestemmelser af S2's positioner til brug for banebestemmelsen. Med GRAVITY får man et så skarpt billede, at man kan se stjernens bevægelse fra nat til nat under passagen tæt forbi det sorte hul - på en afstand af 26.000 lysår fra Jorden!

"Vore første observationer af S2 med GRAVITY, for omkring to år siden, viste os allerede dengang, at vi rådede over det idelle laboratorium til studiet af sorte huller" tilføjer Frank Eisenhauer (MPE), som er chefforsker (PI) ved GRAVITY og spektrografen SINFONI. "I løbet af den tætte passage kunne vi endda observere den svage glød omkring det sorte hul på de fleste af billederne. Det gav os mulighed for præcist at følge stjernen i dens bane, og dermed til at kunne måle den gravitationelle rødforskydning i spektret for S2."

Françoise Delplancke, som leder System Engineering Department at ESO, forklarer hvorfor observatioonerne her er så vigtige: "Her i vores eget Solsystem kan vi kun afprøve de fysiske love lige nu, og under særlige omstændigheder. Derfor er det meget vigtigt, at vi i astronomien også kan tjekke, at de samme love også gælder langt væk, langt tilbage i tiden og steder, hvor tyngdefelterne er meget kraftigere."

Forskerholdet fortsætter arbejdet, og forventer, at der også meget snart kan findes bekræftelse for en anden relativistisk effekt; det, som kaldes Schwarzschildpræcessionen, når S2 bevæger sig væk fra det sorte hul.

Xavier Barcons, ESOs Generaldirektør, slutter: “ESO har samarbejdet med Reinhard Genzel og hans hold og med partnere i ESOs medlemstater i over et kvart århundrede. Det har været en enorm udfordring at udvikle de enestående instrumenter, som har været nødvendige for at indsamle disse meget fine målinger, og at få dem til at fungere ved VLT på Paranal. Det, vi fortæller her idag er det spændende resultat af et helt enestående samarbejde."
Kilde: ESO