Mierząc prędkość gwiazd w całej Drodze Mlecznej, fizycy z MIT odkryli, że gwiazdy znajdujące się dalej w dysku galaktycznym poruszają się wolniej, niż oczekiwano, w porównaniu do gwiazd znajdujących się bliżej centrum galaktyki. Odkrycie stwarza zaskakującą możliwość: rdzeń grawitacyjny Drogi Mlecznej może mieć lżejszą masę i zawierać mniej ciemnej materii, niż wcześniej sądzono.
Nowe wyniki opierają się na przeprowadzonej przez zespół analizie danych zebranych przez instrumenty Gaia i APOGEE. Gaia to orbitujący teleskop kosmiczny, który śledzi dokładne położenie, odległość i ruch ponad 1 miliarda gwiazd w całej galaktyce Drogi Mlecznej, natomiast APOGEE to badanie naziemne. Fizycy przeanalizowali pomiary wykonane przez sondę Gaia dla ponad 33 000 gwiazd, w tym niektórych z najdalszych gwiazd w galaktyce, i określili „prędkość kołową” każdej gwiazdy, czyli szybkość, z jaką gwiazda krąży po dysku galaktycznym, biorąc pod uwagę odległość gwiazdy od centrum galaktyki .
Naukowcy wykreślili prędkość każdej gwiazdy w zależności od jej odległości, aby wygenerować krzywą rotacji – standardowy wykres w astronomii przedstawiający prędkość obrotu 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 do pewnej odległości, a potem zaczęła się zapadać” – mówi Lina Necib, 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 gwiazd zewnętrznych, i odkrył, że na podstawie powstałej mapy jaśniejsze jądro galaktyki niż oczekiwano. Oznacza to, że centrum Drogi Mlecznej może być mniej gęste i zawierać mniej ciemnej materii, niż sądzili naukowcy.
„To stawia ten wynik w sprzeczności z innymi pomiarami” – mówi Necib. „Gdzieś dzieje się coś podejrzanego i naprawdę ekscytujące jest ustalenie, gdzie to jest, aby naprawdę uzyskać spójny obraz Drogi Mlecznej”.
Zespół opublikował swoje wyniki w tym miesiącu w Monthly Notices of the Royal Society Journal. Współautorami badania z MIT, w tym Necib, są pierwsza autorka Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers i Anna Frebel.
„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. astronom Vera Rubin jako pierwsza zaobserwowała, że galaktyki obracają się w sposób, którego nie może napędzać wyłącznie widzialna materia. Ona i jej koledzy zmierzyli prędkość kołową 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 na odległe gwiazdy musi oddziaływać jakiś inny rodzaj niewidzialnej materii, nadając im dodatkowy impuls.
Praca Rubina dotycząca krzywych rotacji była jednym z pierwszych mocnych dowodów na istnienie ciemnej materii – niewidzialnej, 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 dodatkowo potwierdza obecność ciemnej materii. Dopiero niedawno astronomowie podjęli próbę wykreślenia krzywej rotacji w naszej własnej galaktyce z gwiazdami.
„Okazuje się, że trudniej jest zmierzyć krzywą rotacji, gdy znajduje się wewnątrz galaktyki” – zauważa Ou.
W 2019 roku Anna-Christina Eilers, adiunkt fizyki w MIT, pracowała nad wykresem krzywej rotacji Drogi Mlecznej, korzystając z wcześniejszej partii danych opublikowanych przez satelitę Gaia. Publikowane dane obejmowały gwiazdy znajdujące się w odległości nawet 25 kiloparseków, czyli około 81 000 lat świetlnych od centrum galaktyki.
Na podstawie tych danych Eilers zaobserwował, że krzywa rotacji Drogi Mlecznej wydaje się płaska, choć z łagodnym spadkiem, podobnie jak w przypadku innych odległych galaktyk, z czego wynika, że galaktyka prawdopodobnie ma w swoim jądrze dużą gęstość ciemnej materii. Jednak pogląd ten uległ zmianie, gdy teleskop wypuścił nową partię danych, tym razem obejmującą gwiazdy znajdujące się w odległości nawet 30 kiloparseków – prawie 100 000 lat świetlnych od jądra galaktyki.
„Przy tych odległościach jesteśmy dokładnie na skraju galaktyki, gdzie gwiazdy zaczynają zanikać” – mówi Frebel. „Nikt nie badał, jak materia porusza się w tej zewnętrznej galaktyce, gdzie tak naprawdę jesteśmy w nicości”.
Dziwne napięcie
Frebel, Necib, Ou i Eilers skorzystali z nowych danych Gai, chcąc rozszerzyć początkową krzywą rotacji Eilersa. Aby udoskonalić swoją analizę, zespół uzupełnił dane pochodzące z Gai pomiarami wykonanymi przez APOGEE – Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, w ramach którego mierzy się niezwykle 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 gwiazdy” – wyjaśnia Ou. „W ten sposób możemy przemieszczać się na większe odległości”.
Zespół ustalił dokładne odległości dla ponad 33 000 gwiazd i wykorzystał te pomiary do wygenerowania trójwymiarowej mapy gwiazd rozproszonych w Drodze Mlecznej z dokładnością do około 30 kiloparseków. Następnie włączyli tę mapę do modelu prędkości kołowej, aby zasymulować prędkość, jaką musi poruszać się dowolna gwiazda, biorąc pod uwagę rozmieszczenie wszystkich pozostałych gwiazd w galaktyce. Następnie nanieśli prędkość i odległość każdej gwiazdy na mapę, aby uzyskać zaktualizowaną krzywą rotacji Drogi Mlecznej.
„W tym miejscu pojawiła się dziwność” – mówi Necib.
Zamiast łagodnego spadku, jak poprzednie krzywe rotacji, zespół zaobserwował, że nowa krzywa na zewnętrznym końcu obniżyła się mocniej, niż oczekiwano. To nieoczekiwane pogorszenie sugeruje, że chociaż gwiazdy mogą podróżować na pewną odległość równie szybko, na najdalszych dystansach nagle zwalniają. Gwiazdy na obrzeżach wydają się podróżować wolniej, niż oczekiwano.
Kiedy zespół przełożył tę krzywą rotacji na ilość ciemnej materii, która musi istnieć w całej galaktyce, odkrył, że rdzeń Drogi Mlecznej może zawierać mniej ciemnej materii, niż wcześniej szacowano.
„Ten wynik stoi w sprzeczności z innymi pomiarami” – mówi Necib. „Naprawdę zrozumienie tego wyniku będzie miało głębokie konsekwencje. Może to doprowadzić do odkrycia większej liczby ukrytych mas tuż za krawędzią dysku galaktycznego lub do ponownego rozważenia stanu równowagi naszej galaktyki. Staramy się znaleźć odpowiedzi na te pytania w nadchodzących pracach, wykorzystując wysokie symulacje rozdzielczości galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej.”
Badania te zostały częściowo sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki.