Pomalejší vnější hvězdy v Mléčné dráze naznačují, že temná hmota je přehnaná

Massachusetts Institute of TechnologyExterní studie ukazuje mléčná dráha Hvězdy rotují pomaleji, což ukazuje na lehčí jádro obsahující méně tmavé hmoty, což je v rozporu s předchozími předpoklady.

Zaznamenáním rychlosti hvězd v celé Mléčné dráze fyzici z MIT zjistili, že hvězdy na galaktickém disku se pohybují pomaleji, než se očekávalo ve srovnání s hvězdami blíže ke galaktickému středu. Výsledky ukazují překvapivou možnost: gravitační jádro Mléčné dráhy může být lehčí a obsahovat méně temné hmoty, než se dříve myslelo.

Nová zjištění jsou založena na týmové analýze dat zachycených přístroji Gaia a APOGEE. Gaia je vesmírný dalekohled na oběžné dráze, který sleduje přesnou polohu, vzdálenost a pohyb více než miliardy hvězd v celé Mléčné dráze, zatímco APOGEE je pozemní průzkum. Fyzici analyzovali měření Gaia na více než 33 000 hvězdách, včetně některých nejvzdálenějších hvězd v galaxii, a určili „kruhovou rychlost“ každé hvězdy neboli rychlost rotace hvězdy v galaktickém disku vzhledem ke vzdálenosti hvězdy od středu galaxie. galaxie. .

Pochopení galaktické rotace

Vědci vynesli rychlost každé hvězdy proti její vzdálenosti, aby vytvořili rotační křivku, standardní graf v astronomii, který znázorňuje, jak rychle se hmota otáčí v dané vzdálenosti od středu galaxie. Tvar této křivky může vědcům poskytnout představu o tom, kolik viditelné a temné hmoty je distribuováno po celé galaxii.

„Opravdu nás překvapilo, že tato křivka zůstala po určitou vzdálenost plochá, plochá, plochá a pak začala klesat,“ říká Lina Naguib, odborná asistentka fyziky na MIT. „To znamená, že vnější hvězdy rotují o něco pomaleji, než se očekávalo, což je velmi překvapivý výsledek.“

Náročné teorie temné hmoty

Tým převedl novou rotační křivku do rozložení temné hmoty, které by mohlo vysvětlit zpomalení exostarů, a zjistil, že výsledná mapa vytvořila lehčí jádro galaxie, než se očekávalo. To znamená, že střed Mléčné dráhy může být méně hustý a obsahovat méně temné hmoty, než si vědci myslí.

„Tento výsledek je v rozporu s jinými měřeními,“ říká Najeeb. „Někde se děje něco podezřelého a je opravdu zajímavé zjistit, kde to je, abychom získali koherentní obrázek o Mléčné dráze.“

Tým vyhlásí své výsledky tento měsíc Měsíční oznámení Journal of the Royal Society. Spoluautory studie z MIT, včetně Nassiba, jsou první autorkou Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers a Anna Friebel.

„v nicotě“

Jako většina galaxií ve vesmíru se i Mléčná dráha točí jako voda ve víru a její rotace je částečně poháněna veškerou hmotou vířící v jejím disku. V 70. letech 20. století si astronomka Vera Rubinová jako první všimla, že galaxie rotují způsoby, které nemohou být poháněny čistě viditelnou hmotou. Ona a její kolegové měřili rychlost otáčení hvězd a zjistili, že výsledné rotační křivky jsou překvapivě ploché. To znamená, že rychlost hvězd zůstala v celé galaxii stejná, spíše než se vzdáleností klesala. Došli k závěru, že jiný typ neviditelné hmoty musí ovlivňovat vzdálené hvězdy, aby jim dodal další impuls.

Rubinova práce na rotačních křivkách byla jedním z prvních silných důkazů o existenci temné hmoty, neviditelné a neznámé entity, která podle odhadů převažuje nad všemi hvězdami a jinou viditelnou hmotou ve vesmíru.

Od té doby astronomové pozorovali podobné ploché křivky ve vzdálených galaxiích, což podporuje existenci temné hmoty. Teprve nedávno se astronomové pokusili vykreslit rotační křivku naší galaxie s hvězdami.

„Ukazuje se, že je těžké změřit rotační křivku, když sedíte uvnitř galaxie,“ říká Au.

Nové poznatky z dat Gaia

V roce 2019 Anna Christina Ehlers, odborná asistentka fyziky na MIT, nakreslila rotační křivku Mléčné dráhy pomocí předchozí sady dat z družice Gaia. Toto zveřejnění dat zahrnovalo hvězdy vzdálené až 25 kiloparseků, tedy asi 81 000 světelných let, od galaktického centra.

Na základě těchto dat Ehlers pozoroval, že rotační křivka Mléčné dráhy se jeví jako plochá, i když s mírným poklesem, podobně jako u jiných vzdálených galaxií, a z toho vyplývá, že galaxie pravděpodobně nese ve svém jádru vysokou hustotu temné hmoty. Ale tento názor se nyní změnil, protože teleskop zveřejnil nový soubor dat, tentokrát včetně hvězd vzdálených až 30 kiloparseků, zhruba 100 000 světelných let od galaktického jádra.

„V těchto vzdálenostech jsme na okraji galaxie, kde hvězdy začínají mizet,“ říká Fripple. „Nikdo neprozkoumal, jak se hmota pohybuje v této vnější galaxii, kde jsme doslova v nicotě.“

Zvláštní napětí

Frebel, Naguib, Au a Ehlers skočili do nových dat Gaia a chtěli rozšířit Ehlersovu počáteční rotační křivku. Pro zlepšení své analýzy tým doplnil data Gaia o měření APOGEE – Apache Point Observatory's Galaxy Evolution Experiment, která měří vysoce detailní vlastnosti více než 700 000 hvězd v Mléčné dráze, jako je jejich jasnost, teplota a elementární složení.

„Všechny tyto informace vkládáme do algoritmu, abychom se pokusili naučit spojení, která nám pak mohou poskytnout lepší odhady vzdálenosti ke hvězdě,“ vysvětluje Au. „Takto se můžeme posunout dále.“

Tým určil přesné vzdálenosti více než 33 000 hvězd a použil tato měření k vytvoření 3D mapy hvězd rozprostřených po celé Mléčné dráze do délky asi 30 kiloparseků. Tuto mapu pak zkombinovali do modelu kruhové rychlosti, simulující rychlost, jakou by se každá hvězda měla pohybovat, s přihlédnutím k rozložení všech ostatních hvězd v galaxii. Poté vynesli rychlost a vzdálenost každé hvězdy do grafu, aby vytvořili aktualizovanou rotační křivku pro Mléčnou dráhu.

„Tady přišla ta podivnost,“ říká Naguib.

Místo toho, aby viděl mírný pokles jako předchozí rotační křivky, tým si všiml, že nová křivka klesla silněji, než se očekávalo na vnějším konci. Tento neočekávaný pokles naznačuje, že zatímco hvězdy mohou cestovat stejnou rychlostí do určité vzdálenosti, na větší vzdálenosti náhle zpomalují. Zdá se, že hvězdy na předměstích se pohybují pomaleji, než se očekávalo.

Prozkoumejte tajemství galaxie

Když tým převedl tuto rotační křivku na množství temné hmoty, která by měla být přítomna v celé galaxii, zjistili, že jádro Mléčné dráhy může obsahovat méně temné hmoty, než se dříve odhadovalo.

„Tento výsledek je v rozporu s jinými měřeními,“ říká Najeeb. „Skutečné pochopení tohoto výsledku bude mít hluboké důsledky. Mohlo by to vést ke skrytějším hmotám za okrajem galaktického disku nebo k revizi rovnovážného stavu naší galaxie. Tyto odpovědi se snažíme najít v nadcházející práci s použitím vysokého rozlišení.“ simulace galaxií podobných Mléčné dráze.

Odkaz: „Obraz temné hmoty Mléčné dráhy odvozený z její kruhové křivky rychlosti“ od Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib a Anna Friebel, 8. ledna 2024, Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Tento výzkum byl částečně financován National Science Foundation.