Hubble demaskuje „niewidzialny klej” Wszechświata – ruchy gwiazd ujawniają sekrety ciemnej materii

Długowieczność Kosmicznego Teleskopu Hubble’a jest zaletą pozwalającą uzyskać jasność co do niewidzialnego kleju wszechświata.

Kiedy teoria i obserwacje przemawiają za różnymi wynikami, w jaki sposób astronomowie mogą określić, który z nich jest bardziej wykonalny?

Zwiększanie zaufania do jednej teorii w stosunku do drugiej często wymaga zbudowania bogatszego zbioru danych w celu ulepszenia bieżących modeli i zmniejszenia niepewności. Zespół naukowców zrobił to właśnie, aby złagodzić mętność długotrwałej debaty: problem rdzenia wierzchołkowego. Analizując NASA’S Kosmiczny teleskop Hubble danych zebranych na przestrzeni prawie dwóch dekad astronomowie sporządzili mapy ruchów gwiazd w galaktyce i odkryli prawdopodobne zlepianie się ciemnej materii w jej centrum.

Kosmiczny Teleskop Hubble’a śledzi ciemną materię w galaktyce karłowatej za pomocą ruchów gwiazd

Właściwości i zachowanie ciemnej materii, niewidzialnego „kleju” wszechświata, nadal owiane są tajemnicą. Chociaż galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, zrozumienie jej rozmieszczenia w galaktyce dostarcza wskazówek, czym jest ta substancja i jakie ma znaczenie dla ewolucji galaktyki.

Chociaż symulacje komputerowe sugerują, że ciemna materia powinna gromadzić się w centrum galaktyki, zwanym wierzchołkiem gęstości, wiele wcześniejszych obserwacji teleskopowych wskazywało, że zamiast tego jest ona bardziej równomiernie rozproszona w galaktyce. Powód tego napięcia między modelem a obserwacją w dalszym ciągu stanowi zagadkę dla astronomów, wzmacniając tajemnicę ciemnej materii.

Wykorzystanie Teleskopu Hubble’a

Zespół astronomów zwrócił się do należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, aby spróbować wyjaśnić tę debatę, mierząc dynamiczne ruchy gwiazd w galaktyce karłowatej Draco, układzie położonym około 250 000 lat świetlnych od Ziemi. Wykorzystując obserwacje trwające 18 lat, udało im się uzyskać najdokładniejszy trójwymiarowy obraz ruchów gwiazd w maleńkiej galaktyce. Wymagało to przejrzenia prawie dwudziestu lat archiwalnych obserwacji galaktyki Draco za pomocą Hubble’a.

„Nasze modele raczej zgadzają się ze strukturą przypominającą guzek, co jest zgodne z modelami kosmologicznymi” – powiedział Eduardo Vitral z Instytutu Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych (STScI) w Baltimore i główny autor badania. „Chociaż nie możemy definitywnie stwierdzić, że wszystkie galaktyki mają rozkład ciemnej materii przypominający wierzchołki, ekscytujące jest posiadanie tak dobrze zmierzonych danych, które przewyższają wszystko, co mieliśmy wcześniej”.

Zaawansowane techniki ruchu gwiazd

Aby dowiedzieć się więcej o ciemnej materii w galaktyce, naukowcy mogą przyjrzeć się jej gwiazdom i ich ruchom, w których dominuje przyciąganie ciemnej materii. Powszechnym podejściem do pomiaru prędkości obiektów poruszających się w przestrzeni jest efekt Dopplera – obserwowana zmiana długości fali światła, gdy gwiazda zbliża się do Ziemi lub oddala się od niej. Chociaż prędkość w linii wzroku może dostarczyć cennych informacji, z tego jednowymiarowego źródła informacji można wyciągnąć tylko pewną część.

Oprócz tego, że zbliżają się lub oddalają od nas, gwiazdy poruszają się także po niebie, mierząc jako ich ruch właściwy. Łącząc prędkość w linii wzroku z właściwymi ruchami, zespół stworzył bezprecedensową analizę ruchów 3D gwiazd.

„Poprawa danych i ulepszenia modelowania zwykle idą w parze” – wyjaśnił Roeland van der Marel z STScI, współautor artykułu, który zainicjował badanie ponad 10 lat temu. „Jeśli nie masz bardzo skomplikowanych danych lub masz tylko dane jednowymiarowe, często można dopasować stosunkowo proste modele. Im więcej wymiarów i złożoności gromadzisz danych, tym bardziej złożone muszą być Twoje modele, aby naprawdę uchwycić wszystkie subtelności danych.

Maraton naukowy (nie sprint)

Ponieważ wiadomo, że galaktyki karłowate zawierają większą ilość ciemnej materii niż inne typy galaktyk, zespół skupił się na galaktyce karłowatej Draco, która jest stosunkowo małym i sferoidalnym pobliskim satelitą Galaktyki. droga Mleczna galaktyka.

„Mierząc ruchy własne, odnotowuje się położenie gwiazdy w jednej epoce, a wiele lat później mierzy się położenie tej samej gwiazdy. Mierzy się przemieszczenie, aby określić, jak bardzo się przemieściło” – wyjaśnił Sangmo Tony Sohn z STScI, kolejny współautor artykułu i główny badacz najnowszego programu obserwacyjnego. „W przypadku tego rodzaju obserwacji im dłużej czekasz, tym lepiej możesz zmierzyć przesuwanie się gwiazd”.

Zespół przeanalizował serię epok obejmujących lata 2004–2022, co stanowi obszerny punkt odniesienia, który mógł zaoferować jedynie Hubble, dzięki połączeniu ostrego, stabilnego obrazu i rekordowego czasu działania. Bogate archiwum danych teleskopu pomogło zmniejszyć poziom niepewności w pomiarach ruchów własnych gwiazd. Dokładność odpowiada pomiarowi rocznego przesunięcia nieco mniejszego niż szerokość piłki golfowej widzianej z Ziemi na Księżycu.

Dysponując danymi o trzech wymiarach, zespół ograniczył liczbę założeń stosowanych w poprzednich badaniach i we własnych wysiłkach modelowych uwzględnił cechy specyficzne dla galaktyki – takie jak jej rotacja oraz rozmieszczenie gwiazd i ciemnej materii.

Implikacje i przyszłe badania

Metodologie i modele opracowane dla galaktyki karłowatej Draco można w przyszłości zastosować w innych galaktykach. Zespół analizuje już obserwacje Hubble’a dotyczące galaktyki karłowatej Rzeźbiarza i galaktyki karłowatej Ursa Minor.

Badanie ciemnej materii wymaga obserwacji różnych środowisk galaktycznych, a także współpracy w ramach różnych misji teleskopów kosmicznych. Na przykład nadchodzący rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace NASA pomoże odkryć nowe szczegóły Właściwości ciemnej materii w różnych galaktykach dzięki możliwości badania dużych połaci nieba.

„Tego rodzaju badania są inwestycją długoterminową i wymagają dużo cierpliwości” – stwierdził Vitral. „Jesteśmy w stanie przeprowadzić tę naukę dzięki całemu planowaniu, które prowadzono przez lata, aby faktycznie zebrać te dane. Zebrane przez nas spostrzeżenia są wynikiem pracy większej grupy badaczy, która pracuje nad tymi zagadnieniami od wielu lat”.

Wyniki te zostały opublikowane 11 lipca w The Dziennik astrofizyczny.

Odniesienie: „HSTPROMO Wewnętrzna kinematyka ruchu własnego karłowatych galaktyk sferoidalnych. I. Anizotropia prędkości i nachylenie ciemnej materii Draco” Eduardo Vitral, Roeland P. van der Marel, Sangmo Tony Sohn, Mattia Libralato, Andrés del Pino, Laura L. Watkins, Andrea Bellini, Matthew G. Walker, Gurtina Besla, Marcel S. Pawłowski i Gary A. Mamon, 11 lipca 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad571c

Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST) to przełomowe obserwatorium orbitalne wystrzelone w 1990 roku przez NASA we współpracy z Europejska Agencja Kosmiczna. Usytuowany poza zniekształceniami ziemskiej atmosfery, Hubble zapewnia wyjątkowo wyraźny i głęboki obraz wszechświata, począwszy od naszego Układu Słonecznego po najodleglejsze galaktyki i nieuchwytne zjawiska kosmiczne pomiędzy nimi. Przez dziesięciolecia Hubble odegrał kluczową rolę w wielu najważniejszych odkryciach astronomicznych, w tym w zakresie tempa ekspansji Wszechświata, obecności czarnych dziur w centrach galaktyk i składu atmosfery egzoplanet. Zestaw zaawansowanych instrumentów i ciągłe ulepszenia umożliwiają astronomom na całym świecie prowadzenie obserwacji o wysokiej rozdzielczości, z którymi teleskopy naziemne nie byłyby w stanie łatwo dorównać, co czyni go jednym z najcenniejszych narzędzi do badania kosmosu.