Właściwości i zachowanie ciemnej materii, niewidzialnego „kleju” wszechświata, nadal są owiane tajemnicą. Chociaż galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, zrozumienie, jak jest ona rozłożona w galaktyce, daje wskazówki, czym jest ta substancja i jak jest istotna dla ewolucji galaktyki.
Podczas gdy symulacje komputerowe sugerują, że ciemna materia powinna gromadzić się w centrum galaktyki, zwanym szczytem gęstości, wiele wcześniejszych obserwacji teleskopowych wskazywało, że jest ona bardziej równomiernie rozproszona w całej galaktyce. Powód tego napięcia między modelem a obserwacją nadal zastanawia astronomów, wzmacniając tajemnicę ciemnej materii.
Zespół astronomów zwrócił się w stronę Kosmicznego Teleskopu Hubble'a NASA, aby spróbować wyjaśnić tę debatę, mierząc dynamiczne ruchy gwiazd w galaktyce karłowatej Draco, układzie znajdującym się około 250 000 lat świetlnych od Ziemi. Korzystając z obserwacji trwających 18 lat, udało im się zbudować najdokładniejsze trójwymiarowe zrozumienie ruchów gwiazd w maleńkiej galaktyce. Wymagało to przeszukania prawie dwóch dekad archiwalnych obserwacji galaktyki Draco wykonanych przez Hubble'a.
„Nasze modele są bardziej zgodne ze strukturą przypominającą szczyt, co jest zgodne z modelami kosmologicznymi” — powiedział Eduardo Vitral z Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore i główny autor badania. „Chociaż nie możemy definitywnie stwierdzić, że wszystkie galaktyki zawierają rozkład ciemnej materii przypominający szczyt, ekscytujące jest posiadanie tak dobrze zmierzonych danych, które przewyższają wszystko, co mieliśmy wcześniej”.
Wykresy ruchów gwiazd
Aby dowiedzieć się więcej o ciemnej materii w galaktyce, naukowcy mogą przyjrzeć się jej gwiazdom i ich ruchom, które są zdominowane przez przyciąganie ciemnej materii. Powszechnym podejściem do pomiaru prędkości obiektów poruszających się w kosmosie jest efekt Dopplera — obserwowana zmiana długości fali światła, gdy gwiazda zbliża się do Ziemi lub oddala od niej. Chociaż ta prędkość w linii wzroku może zapewnić cenne informacje, to z tego jednowymiarowego źródła informacji można wyciągnąć tylko tyle.
Oprócz zbliżania się lub oddalania od nas, gwiazdy również poruszają się po niebie, mierząc jako ich ruch własny. Łącząc prędkość w linii wzroku z ruchami własnymi, zespół stworzył bezprecedensową analizę trójwymiarowych ruchów gwiazd.
„Ulepszenia danych i ulepszenia modelowania zwykle idą ręka w rękę” – 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, to stosunkowo proste modele często mogą pasować. Im więcej wymiarów i złożoności danych zbierasz, tym bardziej złożone muszą być Twoje modele, aby naprawdę uchwycić wszystkie subtelności danych”.
Maraton naukowy (nie sprint)
Ponieważ wiadomo, że galaktyki karłowate mają większą zawartość ciemnej materii niż inne typy galaktyk, zespół skupił się na karłowatej galaktyce Draco, która jest stosunkowo małym, sferoidalnym satelitą Drogi Mlecznej.
„Podczas pomiaru ruchów własnych notujesz położenie gwiazdy w jednej epoce, a następnie wiele lat później mierzysz położenie tej samej gwiazdy. Mierzysz przesunięcie, aby określić, jak bardzo się przesunęło” — wyjaśnił Sangmo Tony Sohn z STScI, inny 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, rozległy punkt odniesienia, który mógł zaoferować tylko Hubble, dzięki połączeniu jego ostrego, stabilnego widzenia i rekordowego czasu działania. Bogate archiwum danych teleskopu pomogło zmniejszyć poziom niepewności w pomiarze ruchów własnych gwiazd. Precyzja jest równoważna pomiarowi rocznego przesunięcia nieco mniejszego niż szerokość piłki golfowej widzianej z Ziemi na Księżycu.
Dysponując danymi w trzech wymiarach, zespół ograniczył liczbę założeń przyjętych w poprzednich badaniach i uwzględnił w swoich modelach cechy charakterystyczne dla galaktyki, takie jak jej obrót, rozmieszczenie gwiazd i ciemnej materii.
Ekscytująca przyszłość
Metodologie i modele opracowane dla galaktyki karłowatej Draco mogą być w przyszłości stosowane do innych galaktyk. Zespół analizuje już obserwacje Hubble'a galaktyki karłowatej Sculptor i galaktyki karłowatej Ursa Minor.
Badanie ciemnej materii wymaga obserwacji różnych środowisk galaktycznych, a także wiąże się ze współpracą w ramach różnych misji teleskopów kosmicznych. Na przykład nadchodzący teleskop kosmiczny Nancy Grace Roman Space Telescope NASA pomoże ujawnić nowe szczegóły właściwości ciemnej materii w różnych galaktykach dzięki swojej zdolności do badania dużych obszarów nieba.
„Tego rodzaju badania są długoterminową inwestycją i wymagają mnóstwa cierpliwości” – zastanawiał się Vitral. „Jesteśmy w stanie prowadzić tę naukę dzięki całemu planowaniu, które zostało wykonane na przestrzeni lat, aby faktycznie zebrać te dane. Zebrane przez nas spostrzeżenia są wynikiem pracy większej grupy badaczy, którzy pracowali nad tymi rzeczami przez wiele lat”.
Wyniki te zostały zaakceptowane do publikacji w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Kosmiczny Teleskop Hubble'a działa od ponad trzech dekad i nadal dokonuje przełomowych odkryć, które kształtują nasze fundamentalne zrozumienie wszechświata. Hubble to projekt międzynarodowej współpracy między NASA i ESA (Europejską Agencją Kosmiczną). Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA w Greenbelt w stanie Maryland zarządza teleskopem i operacjami misji. Lockheed Martin Space z siedzibą w Denver w stanie Kolorado również wspiera operacje misji w Goddard. Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore w stanie Maryland, którym zarządza Association of Universities for Research in Astronomy, prowadzi operacje naukowe Hubble'a dla NASA.