Τα πιο αργά εξωτερικά αστέρια στον Γαλαξία μας δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι υπερβολική

Ινστιτούτο Τεχνολογίας της ΜασαχουσέτηςΗ εξωτερική μελέτη δείχνει Γαλαξίας Τα αστέρια περιστρέφονται πιο αργά, υποδεικνύοντας έναν ελαφρύτερο πυρήνα που περιέχει λιγότερη σκοτεινή ύλη, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενες υποθέσεις.

Καταγράφοντας την ταχύτητα των αστεριών σε όλο τον Γαλαξία, οι φυσικοί του MIT διαπίστωσαν ότι τα αστέρια στον γαλαξιακό δίσκο κινούνται πιο αργά από το αναμενόμενο σε σύγκριση με αστέρια πιο κοντά στο γαλαξιακό κέντρο. Τα αποτελέσματα δημιουργούν μια εκπληκτική πιθανότητα: ο βαρυτικός πυρήνας του Γαλαξία μπορεί να είναι ελαφρύτερος και να περιέχει λιγότερη σκοτεινή ύλη, από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Τα νέα ευρήματα βασίζονται στην ανάλυση των δεδομένων της ομάδας που συλλέγονται από τα όργανα Gaia και APOGEE. Το Gaia είναι ένα διαστημικό τηλεσκόπιο σε τροχιά που παρακολουθεί την ακριβή θέση, την απόσταση και την κίνηση περισσότερων από ένα δισεκατομμύριο άστρων σε όλο τον Γαλαξία μας, ενώ το APOGEE είναι μια επίγεια έρευνα. Οι φυσικοί ανέλυσαν τις μετρήσεις της Γαίας σε περισσότερα από 33.000 αστέρια, συμπεριλαμβανομένων μερικών από τα πιο μακρινά αστέρια στον γαλαξία, και προσδιόρισαν την «κυκλική ταχύτητα» κάθε αστεριού ή πόσο γρήγορα περιστρέφεται το αστέρι στον γαλαξιακό δίσκο, δεδομένης της απόστασης του αστεριού από το κέντρο του ο γαλαξίας. .

Κατανόηση της γαλαξιακής περιστροφής

Οι επιστήμονες σχεδίασαν την ταχύτητα κάθε άστρου σε σχέση με την απόστασή του για να δημιουργήσουν μια καμπύλη περιστροφής, ένα τυπικό γράφημα στην αστρονομία που αντιπροσωπεύει πόσο γρήγορα περιστρέφεται η ύλη σε μια δεδομένη απόσταση από το κέντρο του γαλαξία. Το σχήμα αυτής της καμπύλης μπορεί να δώσει στους επιστήμονες μια ιδέα για το πόση ορατή και σκοτεινή ύλη είναι κατανεμημένη σε όλο τον γαλαξία.

«Αυτό που είδαμε πραγματικά έκπληκτοι ήταν ότι αυτή η καμπύλη παρέμεινε επίπεδη, επίπεδη, επίπεδη για μια ορισμένη απόσταση και μετά άρχισε να μειώνεται», λέει η Lina Naguib, επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο MIT. «Αυτό σημαίνει ότι τα εξωτερικά αστέρια περιστρέφονται λίγο πιο αργά από το αναμενόμενο, το οποίο είναι ένα πολύ εκπληκτικό αποτέλεσμα».

Μια μελέτη από φυσικούς από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης υποδηλώνει ότι ο βαρυτικός πυρήνας του Γαλαξία μπορεί να είναι ελαφρύτερος σε μάζα και να περιέχει λιγότερη σκοτεινή ύλη, από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Πηγή εικόνας: ESA/Gaia/DPAC, επιμέλεια του MIT News

Προκλήσεις για τις θεωρίες της σκοτεινής ύλης

Η ομάδα μετέφρασε τη νέα καμπύλη περιστροφής σε μια κατανομή της σκοτεινής ύλης που θα μπορούσε να εξηγήσει την επιβράδυνση των εξωάστρων και διαπίστωσε ότι ο προκύπτων χάρτης παρήγαγε έναν ελαφρύτερο πυρήνα γαλαξία από το αναμενόμενο. Δηλαδή, το κέντρο του Γαλαξία μπορεί να είναι λιγότερο πυκνό και να περιέχει λιγότερη σκοτεινή ύλη από ό,τι πιστεύουν οι επιστήμονες.

«Αυτό θέτει αυτό το αποτέλεσμα σε ένταση με άλλες μετρήσεις», λέει ο Najeeb. “Υπάρχει κάτι ψαρότοπο που συμβαίνει κάπου, και είναι πραγματικά ενδιαφέρον να μάθουμε πού είναι αυτό, για να έχουμε μια συνεκτική εικόνα του Γαλαξία μας.”

Η ομάδα ανακοινώνει τα αποτελέσματά της αυτόν τον μήνα Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Εφημερίδας της Βασιλικής Εταιρείας. Συν-συγγραφείς της μελέτης από το MIT, συμπεριλαμβανομένου του Nassib, είναι ο πρώτος συγγραφέας Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers και Anna Friebel.

“στο τίποτα”

Όπως οι περισσότεροι γαλαξίες στο σύμπαν, ο Γαλαξίας περιστρέφεται σαν νερό σε δίνη, με την περιστροφή του να καθοδηγείται εν μέρει από όλη την ύλη που στροβιλίζεται μέσα στο δίσκο του. Στη δεκαετία του 1970, η αστρονόμος Vera Rubin ήταν η πρώτη που παρατήρησε ότι οι γαλαξίες περιστρέφονται με τρόπους που δεν μπορούν να οδηγηθούν από καθαρά ορατή ύλη. Αυτή και οι συνάδελφοί της μέτρησαν την ταχύτητα περιστροφής των άστρων και διαπίστωσαν ότι οι καμπύλες περιστροφής που προέκυψαν ήταν εκπληκτικά επίπεδες. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα των αστεριών παρέμεινε η ίδια σε όλο τον γαλαξία, αντί να μειώνεται με την απόσταση. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένας άλλος τύπος αόρατης ύλης πρέπει να επηρεάζει τα μακρινά αστέρια για να τους δώσει μια επιπλέον ώθηση.

Η εργασία του Ρούμπιν στις καμπύλες περιστροφής ήταν ένα από τα πρώτα ισχυρά στοιχεία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, μιας αόρατης και άγνωστης οντότητας που εκτιμάται ότι υπερτερεί όλων των άστρων και άλλης ορατής ύλης στο σύμπαν.

Από τότε, οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει παρόμοιες επίπεδες καμπύλες σε μακρινούς γαλαξίες, υποστηρίζοντας την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Μόλις πρόσφατα οι αστρονόμοι προσπάθησαν να σχεδιάσουν την καμπύλη περιστροφής του γαλαξία μας με αστέρια.

«Αποδεικνύεται ότι είναι δύσκολο να μετρήσετε την καμπύλη περιστροφής όταν κάθεστε μέσα σε έναν γαλαξία», λέει ο Au.

Νέες πληροφορίες από τα δεδομένα της Gaia

Το 2019, η Anna Christina Ehlers, επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο MIT, σχεδίασε την καμπύλη περιστροφής του Γαλαξία, χρησιμοποιώντας ένα προηγούμενο σύνολο δεδομένων από τον δορυφόρο Gaia. Αυτή η απελευθέρωση δεδομένων περιελάμβανε αστέρια έως και 25 κιλοπαρσέκ, ή περίπου 81.000 έτη φωτός, από το γαλαξιακό κέντρο.

Με βάση αυτά τα δεδομένα, ο Ehlers παρατήρησε ότι η καμπύλη περιστροφής του Γαλαξία μας φαίνεται επίπεδη, αν και με μια μικρή βύθιση, παρόμοια με άλλους μακρινούς γαλαξίες, και από συμπέρασμα, ο γαλαξίας πιθανότατα φέρει υψηλή πυκνότητα σκοτεινής ύλης στον πυρήνα του. Αλλά αυτή η άποψη έχει αλλάξει τώρα, καθώς το τηλεσκόπιο κυκλοφόρησε ένα νέο σύνολο δεδομένων, αυτή τη φορά που περιλαμβάνει αστέρια σε απόσταση 30 κιλοπαρσέκων, περίπου 100.000 έτη φωτός από τον πυρήνα του γαλαξία.

«Σε αυτές τις αποστάσεις, βρισκόμαστε στην άκρη του γαλαξία όπου τα αστέρια αρχίζουν να σβήνουν», λέει ο Fripple. «Κανείς δεν έχει εξερευνήσει πώς κινείται η ύλη σε αυτόν τον εξωτερικό γαλαξία, όπου βρισκόμαστε κυριολεκτικά στο τίποτα».

Παράξενη ένταση

Οι Frebel, Naguib, Au και Ehlers μεταπήδησαν στα νέα δεδομένα Gaia, προσπαθώντας να επεκταθούν στην αρχική καμπύλη περιστροφής του Ehlers. Για να βελτιώσει την ανάλυσή τους, η ομάδα συμπλήρωσε τα δεδομένα της Γαίας με μετρήσεις από το APOGEE – Πείραμα Εξέλιξης Γαλαξιών του Apache Point Observatory, το οποίο μετρά εξαιρετικά λεπτομερείς ιδιότητες περισσότερων από 700.000 αστεριών στον Γαλαξία μας, όπως η φωτεινότητα, η θερμοκρασία και η στοιχειακή τους σύνθεση.

«Τροφούμε όλες αυτές τις πληροφορίες σε έναν αλγόριθμο για να προσπαθήσουμε να μάθουμε συνδέσεις που μπορούν στη συνέχεια να μας δώσουν καλύτερες εκτιμήσεις για την απόσταση από το αστέρι», εξηγεί ο Au. «Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να προχωρήσουμε περαιτέρω».

Η ομάδα προσδιόρισε τις ακριβείς αποστάσεις περισσότερων από 33.000 αστεριών και χρησιμοποίησε αυτές τις μετρήσεις για να δημιουργήσει έναν τρισδιάστατο χάρτη αστεριών που απλώνονται στον Γαλαξία μας σε περίπου 30 κιλοπαρσέκ. Στη συνέχεια συνδύασαν αυτόν τον χάρτη σε ένα μοντέλο κυκλικής ταχύτητας, προσομοιώνοντας την ταχύτητα με την οποία κάθε αστέρι πρέπει να κινείται, λαμβάνοντας υπόψη την κατανομή όλων των άλλων αστεριών στον γαλαξία. Στη συνέχεια σχεδίασαν την ταχύτητα και την απόσταση κάθε αστεριού σε ένα χάρτη για να δημιουργήσουν μια ενημερωμένη καμπύλη περιστροφής για τον Γαλαξία μας.

«Εδώ ήρθε το παράξενο», λέει ο Naguib.

Αντί να δει μια μικρή πτώση όπως οι προηγούμενες καμπύλες περιστροφής, η ομάδα παρατήρησε ότι η νέα καμπύλη έπεσε πιο έντονα από ό,τι αναμενόταν στο εξωτερικό άκρο. Αυτή η απροσδόκητη βουτιά δείχνει ότι ενώ τα αστέρια μπορεί να ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα σε μια συγκεκριμένη απόσταση, ξαφνικά επιβραδύνουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Τα αστέρια στα προάστια φαίνεται να κινούνται πιο αργά από το αναμενόμενο.

Εξερευνήστε τα μυστικά του γαλαξία

Όταν η ομάδα μετέφρασε αυτήν την καμπύλη περιστροφής στην ποσότητα της σκοτεινής ύλης που θα έπρεπε να υπάρχει σε όλο τον γαλαξία, διαπίστωσε ότι ο πυρήνας του Γαλαξία μπορεί να περιέχει λιγότερη σκοτεινή ύλη από ό,τι είχε εκτιμηθεί προηγουμένως.

«Αυτό το αποτέλεσμα είναι ασυνεπές με άλλες μετρήσεις», λέει ο Najeeb. “Η πραγματική κατανόηση αυτού του αποτελέσματος θα έχει βαθιές προεκτάσεις. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε περισσότερες κρυφές μάζες πέρα ​​από την άκρη του γαλαξιακού δίσκου ή σε αναθεώρηση της κατάστασης ισορροπίας του γαλαξία μας. Επιδιώκουμε να βρούμε αυτές τις απαντήσεις σε επερχόμενες εργασίες, χρησιμοποιώντας υψηλή ανάλυση προσομοιώσεις γαλαξιών που μοιάζουν με τον Γαλαξία.

Αναφορά: «Η εικόνα της σκοτεινής ύλης του Γαλαξία που προκύπτει από την κυκλική καμπύλη ταχύτητάς του» από τους Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib και Anna Friebel, 08 Ιανουαρίου 2024, Μηνιαίες Ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.