Odkrycia sugerują, że jądro naszej Galaktyki może zawierać mniej ciemnej materii niż wcześniej szacowano.
Fizycy z MIT, mierząc prędkość gwiazd w całej Drodze Mlecznej, odkryli, że gwiazdy znajdujące się dalej w dysku galaktycznym poruszają się wolniej niż oczekiwano w porównaniu do gwiazd znajdujących się bliżej centrum Galaktyki. Odkrycia te wskazują na zaskakującą możliwość: grawitacyjne jądro Drogi Mlecznej może mieć lżejszą masę i zawierać mniej ciemnej materii, niż wcześniej sądzono.
Nowe wyniki opierają się na analizie danych zebranych przez instrumenty Gaia i APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment). Gaia to orbitujący teleskop kosmiczny, który śledzi dokładną lokalizację, odległość i ruch ponad miliarda gwiazd w Drodze Mlecznej, podczas gdy APOGEE to badanie naziemne. Fizycy przeanalizowali pomiary Gaia dotyczące ponad 33 000 gwiazd, w tym niektórych z najdalszych gwiazd w Galaktyce, i określili „prędkość kołową” każdej gwiazdy, czyli jak szybko gwiazda krąży w dysku galaktycznym, biorąc pod uwagę odległość gwiazd od centrum Galaktyki.
Naukowcy wykreślili prędkość każdej gwiazdy w zależności od jej odległości, tworząc krzywą rotacji – standardowy wykres w astronomii, który pokazuje, jak szybko materia obraca się w określonej odległości od centrum Galaktyki. Kształt tej krzywej może dostarczyć naukowcom informacji na temat ilości widocznej i ciemnej materii rozproszonej w Galaktyce.
To, co naprawdę nas zaskoczyło to fakt, że krzywa pozostawała płaska do pewnej odległości, a następnie zaczęła spadać – powiedziała Lina Necib, adiunkt fizyki na MIT. Oznacza to, że zewnętrzne gwiazdy wirują nieco wolniej niż oczekiwano, co jest bardzo zaskakującym wynikiem.
Zespół przełożył nową krzywą rotacji na rozkład ciemnej materii, który mógłby wyjaśnić spowolnienie zewnętrznych gwiazd. Odkryli, że wynikowa mapa wykazała jaśniejsze jądro Galaktyki niż oczekiwano. Oznacza to, że centrum Drogi Mlecznej może być mniej gęste, z mniejszą ilością ciemnej materii, niż sądzili naukowcy.
To stawia ten wynik w konflikcie z innymi pomiarami – powiedziała Necib. Gdzieś dzieje się coś podejrzanego i naprawdę ekscytujące jest dowiedzieć się, gdzie to jest, aby naprawdę mieć spójny obraz Drogi Mlecznej.
Zespół opublikował swoje wyniki w Monthly Notices of the Royal Society Journal.
“W nicości”
Podobnie jak większość galaktyk we Wszechświecie, Droga Mleczna wiruje, a jej rotacja jest częściowo napędzana przez całą materię, która krąży w jej dysku. W latach 70. XX wieku astronom Vera Rubin jako pierwsza zaobserwowała, że galaktyki obracają się w sposób, który nie może być wyłącznie napędzany przez widzialną materię. Razem z kolegami zmierzyła prędkość kątową gwiazd i odkryła, że uzyskane krzywe rotacji były zaskakująco płaskie. Oznaczało to, że prędkość gwiazd pozostawała stała w całej galaktyce, zamiast spadać wraz z odległością. Doszli do wniosku, że jakiś inny rodzaj niewidzialnej materii musi oddziaływać na odległe gwiazdy, nadając im dodatkowy pęd.
Praca Rubin nad krzywymi rotacji była jednym z pierwszych mocnych dowodów na istnienie ciemnej materii – niewidzialnego, nieznanego bytu, który szacuje się, że przewyższa wagą wszystkie gwiazdy i inną widoczną materię we Wszechświecie.
Od tego czasu astronomowie zaobserwowali podobne płaskie krzywe w odległych galaktykach, co dodatkowo potwierdza obecność ciemnej materii. Dopiero niedawno astronomowie podjęli próbę wyznaczenia krzywej rotacji gwiazd w naszej własnej Galaktyce.
W 2019 roku Anna-Christina Eilers, adiunkt fizyki na MIT, pracowała nad wykreśleniem krzywej rotacji Drogi Mlecznej, korzystając z wcześniejszej partii danych opublikowanych przez satelitę Gaia. Dane te obejmowały gwiazdy znajdujące się nawet 25 kiloparseków, czyli około 81 000 lat świetlnych od centrum Galaktyki.
Na podstawie danych Eilers zauważyła, że krzywa rotacji Drogi Mlecznej wydaje się być płaska, choć z łagodnym spadkiem, podobnie jak w przypadku innych odległych galaktyk, z czego wynika, że Galaktyka zawiera w swoim jądrze dużą gęstość ciemnej materii. Pogląd ten uległ jednak zmianie, gdy opublikowano nową partię danych Gaia, tym razem obejmującą gwiazdy znajdujące się nawet 30 kiloparseków – prawie 100 000 lat świetlnych od jądra Galaktyki.
Przy tych odległościach znajdujemy się dokładnie na skraju Galaktyki, gdzie gwiazdy zaczynają słabnąć – powiedziała Anna Frebel. Nikt wcześniej nie badał, w jaki sposób materia porusza się w tych zewnętrznych częściach Galaktyki, gdzie tak naprawdę znajdujemy się w nicości.
Dziwne napięcie
Frebel, Necib, Ou i Eilers skorzystali z nowych danych Gaia, chcąc rozszerzyć początkową krzywą rotacji Eilers. Aby udoskonalić swoją analizę, zespół uzupełnił dane Gaia o pomiary APOGEE, który mierzy niezwykle szczegółowe właściwości ponad 700 000 gwiazd w Drodze Mlecznej, takie jak ich jasność, temperatura i skład pierwiastkowy.
Wprowadzamy te wszystkie informacje do algorytmu, aby spróbować nauczyć się powiązań, które mogą następnie dać nam lepsze szacunki odległości gwiazd – wyjaśnił Ou. W ten sposób możemy dotrzeć na większe odległości.
Zespół ustalił dokładne odległości dla ponad 33 000 gwiazd i wykorzystał te pomiary do wygenerowania trójwymiarowej mapy gwiazd rozproszonych w Drodze Mlecznej do około 30 kiloparseków. Następnie włączyli tę mapę do modelu prędkości kołowej, aby zasymulować, z jaką prędkością musi poruszać się każda gwiazda, biorąc pod uwagę rozmieszczenie wszystkich innych gwiazd w Galaktyce. Następnie nanieśli prędkość i odległość każdej gwiazdy na wykresie, aby uzyskać zaktualizowaną krzywą rotacji Drogi Mlecznej.
W tym miejscu właśnie pojawiła się dziwność – powiedziała Necib.
Zamiast zaobserwować łagodny spadek, jak w przypadku poprzednich krzywych rotacji, zespół zaobserwował, że nowa krzywa opadła silniej niż oczekiwano na zewnętrznym końcu. Ten nieoczekiwany spadek sugeruje, że podczas gdy gwiazdy poruszają się równie szybko do pewnej odległości, nagle zwalniają na najdalszych dystansach. Gwiazdy na obrzeżach wydają się podróżować wolniej niż oczekiwano.
Gdy zespół przełożył tę krzywą rotacji na ilość ciemnej materii, która musi istnieć w całej Galaktyce, odkrył, że jądro Drogi Mlecznej może zawierać mniej ciemnej materii niż wcześniej szacowano.
Wynik ten stoi w sprzeczności z innymi pomiarami – powiedziała Necib. Prawdziwe zrozumienie tego wyniku będzie miało głębokie reperkusje. Może to doprowadzić do odkrycia większej ilości ukrytych mas tuż za krawędzią dysku galaktycznego lub do ponownego rozważania stanu równowagi naszej Galaktyki. Staramy się znaleźć odpowiedzi na te pytania w nadchodzących pracach, wykorzystując symulacje w wysokiej rozdzielczości galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Study: Stars travel more slowly at Milky Way’s edge
- The dark matter profile of the Milky Way inferred from its circular velocity curve
Źródło: MIT
Na ilustracji: Galaktyka Drogi Mlecznej. Źródło: ESA/Gaia/DPAC, edytowane przez MIT News
