Prvi poticaj za rotaciju nekih galaksija nastao je mnogo prije prvih zvijezda u njima. Analiza uzorka od 781 masivnih središnjih eliptičnih galaksija pokazala je da se smjer rotacije njihova ioniziranog plina statistički podudara s obrascem koji predviđa raspodjela tvari u ranom svemiru. Rezultat pruža dosad najsnažniju promatračku potporu teoriji prema kojoj su gravitacijske plimne sile galaksijama zadale dio početnog kutnog momenta.
Rad, objavljen u časopisu Nature Astronomy, pokazuje da dio današnjih galaksija još nosi trag sila koje su ih počele zakretati u ranom svemiru. Znanstvenici su taj potpis pronašli usporedbom rotacije plina u 781 masivnoj eliptičnoj galaksiji s računalnom rekonstrukcijom tadašnje raspodjele tvari.
Kako su galaksije dobile početni kutni moment
Galaksija se ne okreće kao čvrsti disk. Zvijezde, plin i tamna tvar kreću se složenim putanjama, a njihov zajednički smjer rotacije astronomi opisuju kutnim momentom. Ta veličina utječe na oblik galaksije, raspored materije u njoj i njezin kasniji razvoj.
Jedno od dugotrajnih pitanja bilo je odakle taj početni kutni moment dolazi. Prema teoriji plimnoga zakretnog momenta, buduće galaksije nastajale su unutar neravnomjerno raspoređenih nakupina tvari, preteča današnjih haloa tamne tvari. Gravitacija okolne materije nije na njih djelovala jednako sa svih strana. Takva neravnomjerna privlačenja stvarala su zakretni moment i pokretala te prastrukture.
Kasnije su se unutar njih oblikovale galaksije, a dio početnog gibanja prenio se na zvijezde i plin. Raspored tvari iz kojega su nastale te strukture s vremenom se razvio u kozmičku mrežu, golemi sustav filamenata, čvorova i praznina koji povezuje galaksije na najvećim mjerilima.
Teorija postoji desetljećima i dobro se slaže s računalnim simulacijama. Problem je bio pronaći jasan promatrački dokaz da je taj početni gravitacijski potpis preživio milijarde godina spajanja galaksija, priljeva plina i drugih procesa koji mogu promijeniti njihovu rotaciju.
Kako su usporedili današnje galaksije s ranim svemirom
Tim predvođen Ming-Jiejem Shengom upotrijebio je podatke programa MaNGA, dijela Sloan Digital Sky Surveya. MaNGA ne snima samo ukupnu svjetlost galaksije. Spektroskopijom mjeri svjetlost na mnogim točkama njezina lica, pa se iz malih pomaka spektralnih linija može vidjeti koji nam se dijelovi plina i zvijezda približavaju, a koji udaljavaju. Tako nastaje karta unutarnjih gibanja galaksije.
Drugi dio analize stigao je iz projekta ELUCID. Riječ je o računalnoj rekonstrukciji koja iz današnjeg rasporeda galaksija u obližnjem svemiru procjenjuje kakva je bila početna raspodjela tvari. ELUCID ne pruža izravnu snimku mladog svemira. To je model ograničen podacima iz velikih galaktičkih pregleda.
Istraživači su za svaku galaksiju odredili halo tamne tvari u kojem se nalazi, zatim su ga modelom vratili na položaj koji je njegova preteča imala prije kolapsa. Iz rekonstruiranoga početnog gravitacijskog polja izračunali su smjer rotacije koji bi teorija predvidjela. Taj su smjer usporedili s izmjerenim smjerom rotacije plina i zvijezda u današnjoj galaksiji.
Usporedba je izvedena u projekciji na ravninu neba. Drugim riječima, rad ne raspolaže potpunim trodimenzionalnim smjerom rotacije svake galaksije, već onim dijelom gibanja koji se može pouzdano izmjeriti iz naše perspektive.
Najjači signal pronađen je u plinu masivnih eliptičnih galaksija
Najjasnije podudaranje pojavilo se u ioniziranom plinu u uzorku od 781 masivnih središnjih eliptičnih galaksija. U ovom kontekstu središnja galaksija nije nužno najveća galaksija u skupu. To je galaksija smještena blizu središta vlastitog haloa tamne tvari, za razliku od satelitske galaksije koja kruži unutar većeg haloa.
U spiralnim galaksijama signal je bio slabiji, a smjerovi rotacije zvijezda općenito su se slabije podudarali s predviđanjem od smjera rotacije plina. Autori navode nekoliko razloga: masivniji haloi mogu se pouzdanije pratiti unatrag u rekonstrukciji, a plin u promatranim eliptičnim galaksijama ima urednije polje brzina i manje mjerne nesigurnosti od zvijezda.
Kako bi provjerili može li rezultat nastati slučajnim poravnanjem, istraživači su 40.000 puta nasumično promiješali izmjerene smjerove rotacije unutar skupina iste mase haloa. U glavnoj analizi stvarni je signal od nasumičnog uzorka odstupao za oko 7 sigma. Dvije strože provjere dale su vrijednosti od 6,3 i 5,9 sigma. To je snažan statistički rezultat unutar primijenjenog modela, ali ne uklanja sve izvore sustavne nesigurnosti.
Zato je važna formulacija koju navode i sami autori: riječ je o korelaciji na razini uzorka, a ne o potpunom predviđanju smjera rotacije svake pojedine galaksije.
Rezultat nije vremenska kapsula za svaku galaksiju
Galaksije tijekom života mijenjaju rotaciju. Spajanja s drugim galaksijama, priljev plina, stvaranje zvijezda i gravitacijski susreti mogu poremetiti ili preusmjeriti prvotni kutni moment. Studija pokazuje da u određenoj populaciji masivnih eliptičnih galaksija dio tog ranog obrasca ipak preživljava dovoljno dobro da se može pronaći statističkom analizom.
Ograničenja su jasna. ELUCID je rekonstrukcija, a ne stvarni zapis ranog svemira. Analiza se oslanja na projekcije smjerova rotacije, najjači rezultat dolazi iz jedne određene vrste galaksija, a pouzdanost pada kod haloa manje mase. Studija ne daje završnu riječ o nastanku rotacije svih galaksija. Predstavlja dosad najčvršći promatrački test teorije plimnoga zakretnog momenta.
Ako se metoda potvrdi na većim uzorcima, galaktička rotacija mogla bi postati još jedan alat za proučavanje početnih uvjeta svemira. Autori navode i moguću buduću primjenu u kozmologiji, uključujući ograničavanje mase neutrina. To zasad nije izmjeren rezultat ove studije. Za sada je najvažniji zaključak jednostavniji: današnje galaksije nisu potpuno izbrisale gravitacijski potpis svojega ranog okoliša
