Praćenjem brzine zvezda širom galaksije Mlečni put, fizičari sa MIT-a su otkrili da zvezde dalje u galaktičkom disku putuju sporije nego što se očekivalo u poređenju sa zvezdama koje su bliže centru galaksije. Nalazi otkrivaju iznenađujuću mogućnost: gravitaciono jezgro Mlečnog puta može biti lakše po masi i sadrži manje tamne materije nego što se ranije mislilo.
Novi rezultati su zasnovani na timskoj analizi podataka prikupljenih instrumentima Gaia i APOGEE. Gaia je orbitalni svemirski teleskop koji prati preciznu lokaciju, rastojanje i kretanje više od milijardu zvezda širom galaksije Mlečni put, dok je APOGEE istraživanje na zemlji.
Fizičari su analizirali Gejina merenja više od 33.000 zvezda, uključujući neke od najudaljenijih zvezda u galaksiji, i odredili „kružnu brzinu“ svake zvezde, odnosno koliko brzo zvezda kruži oko galaktičkog diska, s obzirom na udaljenost zvezde od centra galaksije. .
Naučnici su nacrtali brzinu svake zvezde u odnosu na njenu udaljenost da bi generisali krivu rotacije – standardni grafikon u astronomiji koji predstavlja brzinu rotacije materije na datoj udaljenosti od centra galaksije. Oblik ove krive može dati naučnicima predstavu o tome koliko je vidljive i tamne materije raspoređeno po galaksiji.
„Ono što smo bili zaista iznenađeni kada smo videli je da je ova kriva ostala ravna, ravna, ravna na određenoj udaljenosti, a zatim je počela da pada“, kaže Lina Necib, docent fizike na MIT-u. „To znači da se spoljašnje zvezde okreću malo sporije nego što se očekivalo, što je veoma iznenađujući rezultat.“
Tim je preveo novu krivu rotacije u distribuciju tamne materije koja bi mogla da objasni usporavanje spoljašnjih zvezda i otkrio da je rezultirajuća mapa proizvela svetlije galaktičko jezgro od očekivanog. To jest, centar Mlečnog puta može biti manje gustoće, sa manje tamne materije, nego što su naučnici mislili.
„Ovo ovaj rezultat stavlja u napetost sa drugim merenjima“, kaže Necib. „Negde se dešava nešto sumnjivo, i zaista je uzbudljivo otkriti gde je to, zaista imati koherentnu sliku Mlečnog puta.
Tim izveštava o svojim rezultatima u mesečnim obaveštenjima Kraljevskog astronomskog društva. Koautori studije na MIT-u, uključujući Neciba, su prvi autor Ksiaovei Ou, Anna-Christina Eilers i Anna Frebel.
‘u ništavilu’
Kao i većina galaksija u univerzumu, Mlečni put se okreće poput vode u vrtlogu, a njegovu rotaciju delimično pokreće sva materija koja se vrti unutar njegovog diska. Sedamdesetih godina prošlog veka, astronom Vera Rubin je bila prva koja je primetila da se galaksije rotiraju na načine koji se ne mogu pokretati isključivo vidljivom materijom.
Ona i njene kolege izmerile su kružnu brzinu zvezda i otkrile da su rezultujuće krive rotacije iznenađujuće ravne. To jest, brzina zvezda je ostala ista u celoj galaksiji, umesto da opada sa rastojanjem. Zaključili su da neka druga vrsta nevidljive materije mora da deluje na udaljene zvezde da bi im dala dodatni pritisak.
Rubinov rad na krivuljama rotacije bio je jedan od prvih jakih dokaza za postojanje tamne materije — nevidljivog, nepoznatog entiteta za koji se procenjuje da nadmašuje sve zvezde i drugu vidljivu materiju u univerzumu.
Od tada, astronomi su primetili slične ravne krive u dalekim galaksijama, dodatno podržavajući prisustvo tamne materije. Tek nedavno su astronomi pokušali da nacrtaju krivu rotacije u našoj galaksiji sa zvezdama.
„Ispostavilo se da je teže izmeriti krivu rotacije kada sedite unutar galaksije“, napominje Ou.
Godine 2019, Ana-Kristina Ajlers, docentka fizike na MIT-u, radila je na crtanju krive rotacije Mlečnog puta, koristeći raniju grupu podataka koju je objavio satelit Gaia. To objavljivanje podataka uključivalo je zvezde udaljene čak 25 kiloparseka, ili oko 81.000 svetlosnih godina, od centra galaksije.
Na osnovu ovih podataka, Ajlers je primetio da se čini da je kriva rotacije Mlečnog puta ravna, iako sa blagim padom, slično kao u drugim udaljenim galaksijama, a prema zaključku, galaksija verovatno ima veliku gustinu tamne materije u svom jezgru. Ali ovaj pogled se sada promenio, pošto je teleskop objavio novu grupu podataka, ovog puta uključujući zvezde udaljene čak 30 kiloparseka — skoro 100.000 svetlosnih godina od jezgra galaksije.
„Na ovim udaljenostima, mi smo tačno na ivici galaksije gde zvezde počinju da se gase“, kaže Frebel. „Niko nije istraživao kako se materija kreće u ovoj spoljnoj galaksiji, gde smo mi zaista u ništavilu.
Frebel, Necib, Ou i Eilers su skočili na Gajine nove podatke, tražeći da prošire Eilersovu početnu krivu rotacije. Da bi precizirao svoju analizu, tim je dopunio podatke Gaje merenjima APOGEE – eksperimentom galaktičke evolucije opservatorije Apač Point, koji meri izuzetno detaljna svojstva više od 700.000 zvezda u Mlečnom putu, kao što su njihov sjaj, temperatura i elementarni sastav.
„Sve ove informacije unosimo u algoritam kako bismo pokušali da naučimo veze koje nam onda mogu dati bolje procene udaljenosti zvezde“, objašnjava Ou. „Tako možemo da se izguramo na dalje udaljenosti.
Tim je utvrdio precizne udaljenosti za više od 33.000 zvezda i koristio ova merenja da generiše trodimenzionalnu mapu zvezda rasutih po Mlečnom putu do oko 30 kiloparseka. Zatim su ovu mapu ugradili u model kružne brzine, kako bi simulirali koliko brzo svaka zvezda mora da putuje, s obzirom na distribuciju svih ostalih zvezda u galaksiji. Zatim su nacrtali brzinu i rastojanje svake zvezde na grafikonu da bi proizveli ažuriranu krivu rotacije Mlečnog puta.
„Tu je došla čudnost“, kaže Necib.
Umesto da vidi blagi pad kao prethodne krive rotacije, tim je primetio da je nova kriva na spoljnom kraju pala jače nego što se očekivalo. Ovaj neočekivani pad sugeriše da iako zvezde mogu da putuju jednako brzo do određene udaljenosti, one iznenada usporavaju na najdaljoj udaljenosti. Čini se da zvezde na periferiji putuju sporije nego što se očekivalo.
Kada je tim preveo ovu krivu rotacije na količinu tamne materije koja mora da postoji u celoj galaksiji, otkrili su da jezgro Mlečnog puta može da sadrži manje tamne materije nego što je ranije procenjeno.
„Ovaj rezultat je u tenziji sa drugim merenjima“, kaže Necib. „Stvarno razumevanje ovog rezultata imaće duboke posledice. Ovo bi moglo dovesti do više skrivenih masa odmah iza ivice galaktičkog diska, ili do preispitivanja stanja ravnoteže naše galaksije. Te odgovore nastojimo da pronađemo u predstojećem radu, koristeći visoke simulacije rezolucije galaksija sličnih Mlečnom putu.“
