Badanie: Gwiazdy podróżują wolniej na krawędzi Drogi Mlecznej

Rejestrując prędkość gwiazd w całej Drodze Mlecznej, fizycy z MIT odkryli, że gwiazdy w dysku galaktycznym poruszają się wolniej niż oczekiwano w porównaniu z gwiazdami bliżej centrum galaktyki. Wyniki nasuwają zaskakującą możliwość: rdzeń grawitacyjny Drogi Mlecznej może być lżejszy i zawierać mniej ciemnej materii, niż wcześniej sądzono.

Nowe odkrycia opierają się na przeprowadzonej przez zespół analizie danych zarejestrowanych przez instrumenty Gaia i APOGEE. Gaia to orbitujący teleskop kosmiczny, który śledzi dokładne położenie, odległość i ruch ponad miliarda gwiazd w Drodze Mlecznej, natomiast APOGEE to badanie naziemne. Fizycy przeanalizowali pomiary wykonane przez sondę Gaia dla ponad 33 000 gwiazd, w tym niektórych z najodleglejszych gwiazd w galaktyce, i określili „prędkość kołową” każdej gwiazdy, czyli prędkość obrotu gwiazdy w dysku galaktycznym, biorąc pod uwagę odległość gwiazdy od środka Galaktyki. Galaktyka. .

Naukowcy wykreślili prędkość każdej gwiazdy w zależności od jej odległości, aby wygenerować krzywą rotacji — standardowy wykres w astronomii przedstawiający prędkość obracania się materii w danej odległości od centrum galaktyki. Kształt tej krzywej może dać naukowcom wyobrażenie o tym, ile widocznej i ciemnej materii jest rozmieszczonych w całej galaktyce.

„Naprawdę zdziwiliśmy się, widząc, że ta krzywa pozostaje płaska, płaska, płaska przez pewną odległość, a potem zaczęła się obniżać” – mówi Lina Naguib, adiunkt fizyki w MIT. „Oznacza to, że gwiazdy zewnętrzne rotują nieco wolniej niż oczekiwano, co jest bardzo zaskakującym wynikiem”.

Zespół przełożył nową krzywą rotacji na rozkład ciemnej materii, który mógłby wyjaśnić spowolnienie egzogwiazd, i odkrył, że powstała w ten sposób mapa dała jaśniejsze jądro galaktyki, niż oczekiwano. Oznacza to, że centrum Drogi Mlecznej może być mniej gęste i zawierać mniej ciemnej materii, niż myślą naukowcy.

„To stawia ten wynik w sprzeczności z innymi pomiarami” – mówi Najeeb. „Gdzieś dzieje się coś podejrzanego i naprawdę interesujące jest dowiedzieć się, gdzie to jest, aby uzyskać spójny obraz Drogi Mlecznej”.

drużyna Informuje o swoich wynikach W tym miesiącu w Monthly Notices of the Journal of the Royal Society. Współautorami badania z MIT, w tym Nassibem, są pierwsza autorka Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers i Anna Friebel.

„w nicości”

Podobnie jak większość galaktyk we wszechświecie, Droga Mleczna wiruje jak woda w wirze, a jej obrót jest częściowo napędzany całą materią wirującą w jej dysku. W latach 70. astronomka Vera Rubin jako pierwsza zauważyła, że ​​galaktyki obracają się w sposób, którego nie może napędzać czysto widzialna materia. Ona i jej współpracownicy zmierzyli prędkość obrotową gwiazd i odkryli, że powstałe krzywe rotacji są zaskakująco płaskie. Oznacza to, że prędkość gwiazd pozostaje taka sama w całej galaktyce, a nie maleje wraz z odległością. Doszli do wniosku, że inny rodzaj niewidzialnej materii musi oddziaływać na odległe gwiazdy, dając im dodatkowy impuls.

Praca Rubina nad krzywymi rotacji była jednym z pierwszych mocnych dowodów na istnienie ciemnej materii, niewidzialnej i nieznanej istoty, która według szacunków przewyższa wszystkie gwiazdy i inną widzialną materię we wszechświecie.

Od tego czasu astronomowie zaobserwowali podobne płaskie krzywe w odległych galaktykach, co potwierdza istnienie ciemnej materii. Dopiero niedawno astronomowie próbowali wykreślić krzywą rotacji naszej galaktyki z gwiazdami.

„Okazuje się, że trudno jest zmierzyć krzywą rotacji, gdy znajduje się wewnątrz galaktyki” – zauważa O.

W 2019 roku Anna Christina Ehlers, adiunkt fizyki w MIT, wykreśliła krzywą rotacji Drogi Mlecznej, korzystając z poprzedniego zestawu danych z satelity Gaia. Publikacja danych obejmowała gwiazdy znajdujące się w odległości do 25 kiloparseków, czyli około 81 000 lat świetlnych od centrum galaktyki.

Na podstawie tych danych Ehlers zaobserwował, że krzywa rotacji Drogi Mlecznej wydaje się płaska, choć z niewielkim spadkiem, podobnie jak w przypadku innych odległych galaktyk, z czego wynika, że ​​galaktyka ta prawdopodobnie zawiera w swoim jądrze ciemną materię o dużej gęstości. Jednak pogląd ten uległ teraz zmianie, gdy teleskop opublikował nowy zestaw danych, tym razem obejmujący gwiazdy odległe o 30 kiloparseków – czyli około 100 000 lat świetlnych od jądra galaktyki.

„Przy tych odległościach znajdujemy się na skraju galaktyki, gdzie gwiazdy zaczynają blaknąć” – mówi Fripple. „Nikt nie badał, jak materia porusza się w tej zewnętrznej galaktyce, gdzie tak naprawdę jesteśmy w nicości”.

Dziwne napięcie

Frebel, Naguib, Au i Ehlers skorzystali z nowych danych Gaia, chcąc rozszerzyć początkową krzywą rotacji Ehlersa. Aby ulepszyć swoją analizę, zespół uzupełnił dane z Gai o pomiary wykonane przez APOGEE – Galaxy Evolution Experiment w Apache Point Observatory, które mierzy bardzo szczegółowe właściwości ponad 700 000 gwiazd Drogi Mlecznej, takie jak ich jasność, temperatura i skład pierwiastkowy.

„Wprowadzamy wszystkie te informacje do algorytmu, który próbuje poznać powiązania, które następnie pozwolą nam lepiej oszacować odległość do gwiazdy” – wyjaśnia Au. „W ten sposób możemy posunąć się dalej”.

Zespół określił dokładne odległości ponad 33 000 gwiazd i wykorzystał te pomiary do stworzenia trójwymiarowej mapy gwiazd rozmieszczonych w Drodze Mlecznej z dokładnością do około 30 kiloparseków. Następnie połączyli tę mapę w model prędkości kołowej, symulując prędkość, z jaką powinna poruszać się każda gwiazda, biorąc pod uwagę rozmieszczenie wszystkich innych gwiazd w galaktyce. Następnie nanieśli prędkość i odległość każdej gwiazdy na mapę, aby uzyskać zaktualizowaną krzywą rotacji Drogi Mlecznej.

„Nadeszła dziwność” – mówi Naguib.

Zamiast zauważyć niewielki spadek, jak poprzednie krzywe rotacji, zespół zauważył, że nowa krzywa spadła silniej niż oczekiwano na zewnętrznym końcu. Ten nieoczekiwany spadek wskazuje, że chociaż gwiazdy mogą podróżować z tą samą prędkością na pewną odległość, nagle zwalniają na większych odległościach. Gwiazdy na przedmieściach wydają się poruszać wolniej, niż oczekiwano.

Kiedy zespół przełożył tę krzywą rotacji na ilość ciemnej materii, która powinna być obecna w całej galaktyce, odkrył, że rdzeń Drogi Mlecznej może zawierać mniej ciemnej materii, niż wcześniej szacowano.

„Ten wynik jest sprzeczny z innymi pomiarami” – mówi Najeeb. „Naprawdę zrozumienie tego wyniku będzie miało głębokie konsekwencje. Może to prowadzić do ukrycia większej liczby mas za krawędzią dysku galaktycznego lub do ponownego rozważenia stanu równowagi naszej Galaktyki. Staramy się znaleźć odpowiedzi na te pytania w nadchodzących pracach, wykorzystując wysoki stopień rezolucja.” Dokładna symulacja galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej.”

Badania te zostały częściowo sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki.