Pomalé vonkajšie hviezdy galaxie robia temnú hmotu predvídateľnejšou

MITŠtúdium externých výstav Galaxia Hviezdy rotujú pomaly, čo naznačuje svetlejšie jadro s menej tmavej hmoty, čo je v rozpore s predchádzajúcimi predpokladmi.

Meraním rýchlostí hviezd v celej galaxii MIT fyzici zistili, že hviezdy ďalej v galaktickom disku sa pohybujú pomalšie, ako sa očakávalo v porovnaní s hviezdami bližšie k stredu galaxie. Zistenia prinášajú prekvapivú možnosť: gravitačné jadro galaxie môže mať ľahšiu hmotnosť a môže obsahovať menej tmavej hmoty, ako sa doteraz predpokladalo.

Nové výsledky sú založené na tímovej analýze údajov získaných prístrojmi Gaia a APOGEE. Gaia je obiehajúci vesmírny teleskop, ktorý sleduje presné polohy, vzdialenosti a pohyby viac ako 1 miliardy hviezd v galaxii Mliečna dráha, zatiaľ čo APOGEE je pozemský prieskum. Fyzici analyzovali merania Gaie na viac ako 33 000 hviezdach, vrátane niektorých najvzdialenejších hviezd v galaxii, a pri pohľade na vzdialenosť hviezdy od stredu galaxie vypočítali „sférickú rýchlosť“ alebo rotáciu každej hviezdy v galaktickom disku. ako rýchlo hviezda rotuje. ,

Pochopenie galaktickej rotácie

Vedci vykreslili rýchlosť každej hviezdy proti jej vzdialenosti, aby vytvorili rotačnú krivku – štandardný graf v astronómii, ktorý ukazuje, ako rýchlo rotuje hmota v určitej vzdialenosti od stredu galaxie. Tvar tejto krivky môže dať vedcom predstavu o tom, koľko viditeľnej a tmavej hmoty je distribuované v galaxii.

„Boli sme naozaj prekvapení, keď sme videli, že táto krivka zostala plochá, plochá, plochá na určitú vzdialenosť a potom sa začala napĺňať,“ hovorí Lena Nessib, odborná asistentka fyziky na MIT. „To znamená, že vonkajšie hviezdy sa otáčajú o niečo pomalšie, ako sa očakávalo, čo je veľmi prekvapivý výsledok.“

Štúdia fyzikov z MIT naznačuje, že gravitačné jadro galaxie môže mať ľahšiu hmotnosť a môže obsahovať menej tmavej hmoty, ako sa doteraz predpokladalo. Poďakovanie: ESA/Gaia/DPAC, editované MIT News

Náročné teórie temnej hmoty

Tím preložil novú rotačnú krivku do distribúcie tmavej hmoty, ktorá by mohla vysvetliť pomalý pohyb vonkajších hviezd, a zistil, že výsledná mapa poskytla ľahšie galaktické jadro, ako sa očakávalo. To znamená, že stred galaxie môže byť menej hustý, s menším množstvom tmavej hmoty, ako vedci odhadovali.

„Toto stavia tento výsledok do napätia s inými meraniami,“ hovorí Nessib. „Niekde sa deje niečo rybieho a je naozaj vzrušujúce zistiť, kde to je, získať skutočne súvislý obraz galaxie.“

Tím hlási svoje výsledky tento mesiac Mesačné oznámenia časopisu Royal Society Journal, Spoluautormi štúdie z MIT, vrátane Nessiba, sú prvý autor Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers a Anna Friebel.

„Do prázdna“

Ako väčšina galaxií vo vesmíre, aj Mliečna dráha víri ako voda vo vírivke a jej rotáciu čiastočne poháňa všetka hmota víriaca v jej disku. V 70. rokoch 20. storočia astronómka Vera Rubinová prvýkrát spozorovala, že galaxie rotujú spôsobom, ktorý nemožno úplne poháňať viditeľnou hmotou. So svojimi kolegami zmeral kruhové rýchlosti hviezd a zistil, že výsledné rotačné krivky sú prekvapivo ploché. To znamená, že rýchlosť hviezd zostala v celej galaxii rovnaká, namiesto toho, aby klesala so vzdialenosťou. Dospeli k záveru, že na vzdialené hviezdy musí pôsobiť nejaký iný typ neviditeľnej hmoty, aby im dodal ďalší impulz.

Rubinova práca na rotačných krivkách bola jedným z prvých silných dôkazov o existencii temnej hmoty – neviditeľnej, neznámej entity, o ktorej sa odhaduje, že zažiari všetky hviezdy a inú viditeľnú hmotu vo vesmíre.

Odvtedy astronómovia pozorovali podobné ploché krivky vo vzdialených galaxiách, čo podporuje prítomnosť tmavej hmoty. Nedávno sa astronómovia pokúsili zmapovať krivku rotácie hviezd v našej vlastnej galaxii.

„Ukazuje sa, že je ťažké zmerať rotačnú krivku, keď sedíte vo vnútri galaxie,“ poznamenáva Ou.

Nové poznatky z údajov Gaia

V roku 2019 Anna-Christina Eilers, odborná asistentka fyziky na MIT, pracovala na zmapovaní rotačnej krivky Mliečnej dráhy pomocou prvej dávky údajov vydaných satelitom Gaia. Toto zverejnenie údajov zahŕňalo hviezdy vzdialené až 25 kiloparsekov alebo asi 81 000 svetelných rokov od stredu galaxie.

Na základe týchto údajov Eilers pozoroval, že krivka rotácie galaxie sa zdá byť plochá, s miernym poklesom, podobne ako v iných vzdialených galaxiách, a z toho vyplýva, že v jadre galaxie je pravdepodobne vysoká hustota tmavej hmoty. Ale tento pohľad sa teraz zmenil, pretože teleskop zverejnil novú dávku údajov, tentokrát vrátane hviezd s priemerom až 30 kiloparsekov – asi 100 000 svetelných rokov od jadra galaxie.

„V týchto vzdialenostiach sme priamo na okraji galaxie, kde hviezdy začínajú miznúť,“ hovorí Friebel. „Nikto neprišiel na to, ako sa hmota otáča v tejto vonkajšej galaxii, kde sme v podstate v prázdnote.“

zvláštne napätie

Friebel, Nessib, Ou a Eilers sa vrhli na nové údaje z Gaie a chceli rozšíriť Eilersovu počiatočnú rotačnú krivku. Na spresnenie svojej analýzy tím doplnil údaje Gaie o merania APOGEE – experiment Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, ktorý meria mimoriadne podrobné vlastnosti viac ako 700 000 hviezd v galaxii, ako je ich jas, teplota a základná štruktúra.

„Všetky tieto informácie vkladáme do algoritmu, aby sme sa pokúsili naučiť spojenia, ktoré nám môžu poskytnúť lepší odhad vzdialenosti k hviezde,“ vysvetľuje Ou. „Tak sa môžeme dostať ďaleko.“

Tím stanovil presné vzdialenosti k viac ako 33 000 hviezdam a tieto merania použil na vytvorenie trojrozmernej mapy hviezd roztrúsených po galaxii s veľkosťou asi 30 kiloparsekov. Potom túto mapu začlenili do modelu kruhovej rýchlosti, aby určili, ako rýchlo sa môže pohybovať jedna hviezda vzhľadom na rozloženie všetkých ostatných hviezd v galaxii. Potom vyniesli rýchlosť a vzdialenosť každej hviezdy do grafu, aby vytvorili aktualizovanú krivku rotácie galaxie.

„Práve tam prišla tá zvláštnosť,“ hovorí Nessib.

Namiesto toho, aby videl mierny pokles ako predchádzajúce krivky rotácie, tím videl, že nová krivka klesla silnejšie, ako sa očakávalo na vonkajšom okraji. Toto neočakávané spomalenie ukazuje, že zatiaľ čo hviezdy môžu cestovať rovnako rýchlo do určitej vzdialenosti, v tých najväčších vzdialenostiach sa náhle spomalia. Zdá sa, že hviezdy na periférii cestujú pomalšie, ako sa očakávalo.

Skúmanie galaktických záhad

Keď tím previedol túto rotačnú krivku na množstvo tmavej hmoty prítomnej v celej galaxii, zistil, že jadro Mliečnej dráhy môže obsahovať menej tmavej hmoty, ako sa doteraz predpokladalo.

„Tento výsledok je v napätí s inými meraniami,“ hovorí Nessib. „Skutočné pochopenie tohto výsledku bude mať hlboké následky. To môže odhaliť viac skrytej hmoty za okrajom galaktického disku alebo viesť k prehodnoteniu rovnovážneho stavu našej galaxie. Naším cieľom je nájsť tieto odpovede v pripravovanej práci pomocou simulácií galaxií ako je Mliečna dráha s vysokým rozlíšením.

Odkaz: „Profil temnej hmoty Mliečnej dráhy odvodený z jej kruhovej krivky rýchlosti“ od Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers, Lena Nessib a Anna Friebel, 8. januára 2024, Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti,
DOI: 10.1093/mnras/sta034

Tento výskum bol čiastočne financovaný Národnou vedeckou nadáciou.