HST śledzi ciemną materię w galaktyce karłowatej za pomocą ruchów gwiazd
Chociaż galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, jej natura wciąż jest owiana tajemnicą. Zrozumienie jej rozmieszczenia w galaktyce oferuje wskazówki do zrozumienia tej tajemniczej substancji.
Sferoidalna galaktyka karłowata Smoka. Zdjęcie po lewej stronie pochodzi z Digitized Sky Survey (DSS). Daje szersze spojrzenie na region. Dwa zdjęcia po prawej stronie to widoki z Hubble'a. Źródło: NASA, ESA, Eduardo Vitral, Roeland van der Marel oraz Sangmo Tony Sohn (STScI), DSS; Obróbka zdjęcia: Joseph DePasquale (STScI)
Właściwości i zachowanie ciemnej materii, niewidzialnego „kleju” Wszechświata, nadal owiane są tajemnicą. Chociaż galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, zrozumienie jej rozmieszczenia w galaktyce oferuje wskazówki dotyczące tego, czym jest ta substancja i jakie ma znaczenie dla ewolucji galaktyk.
Podczas gdy symulacje komputerowe sugerują, że ciemna materia powinna gromadzić się w centrum galaktyki, zwanym punktem gęstości, wiele wcześniejszych obserwacji teleskopowych wskazuje, że jest ona bardziej równomiernie rozproszona w całej galaktyce. Przyczyna tych różnic między modelem a obserwacjami nadal stanowi zagadkę dla astronomów, pogłębiając tajemnicę ciemnej materii.
Zespół astronomów zwrócił się do Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, aby spróbować wyjaśnić tę debatę, mierząc dynamiczne ruchy gwiazd w galaktyce Karzeł Smoka, galaktyce karłowatej sferoidalnej, układzie znajdującym się około 250 000 lat świetlnych od Ziemi. Wykorzystując obserwacje trwające 18 lat, udało im się uzyskać najdokładniejszy trójwymiarowy obraz ruchów gwiazd w maleńkiej galaktyce. Wymagało to przeszukania prawie dwóch dekad archiwalnych obserwacji galaktyki Smoka wykonanych przez HST.
Wykresy ruchów gwiazd
Aby poznać ciemną materię w galaktyce, naukowcy mogą przyjrzeć się ruchom jej gwiazd, które są zdominowane przez przyciąganie ciemnej materii. Powszechnym podejściem do pomiaru prędkości obiektów poruszających się w przestrzeni kosmicznej jest efekt Dopplera – obserwowana zmiana długości fali światła, gdy gwiazda zbliża się lub oddala od Ziemi. Chociaż ta prędkość w linii wzroku może dostarczyć cennych informacji, z tego jednowymiarowego źródła informacji można wyciągnąć tylko pewną część.
Oprócz zbliżania się lub oddalania od nas, gwiazdy poruszają się również po niebie, co jest mierzone jako ich ruch właściwy. Łącząc prędkość w linii wzroku z ruchem właściwym, zespół stworzył bezprecedensową analizę ruchów 3D gwiazd.
Poprawa danych i ulepszenia modelowania zwykle idą w parze – wyjaśnił Roeland van der Marel z STScI, współautor artykułu, który zainicjował badania ponad 10 lat temu. Jeżeli nie masz bardzo wyrafinowanych danych lub masz tylko jednowymiarowe dane, wówczas stosunkowo proste modele często pasują. Im więcej wymiarów i złożoności danych gromadzisz, tym bardziej złożone muszą być twoje modele, aby naprawdę uchwycić wszystkie subtelności danych.
Naukowy maraton (nie sprint)
Ponieważ wiadomo, że galaktyki karłowate mają większą zawartość ciemnej materii niż inne typy galaktyk, zespół skupił się na galaktyce karłowatej Smoka, która jest stosunkowo małym i sferoidalnym pobliskim satelitą Drogi Mlecznej.
Podczas pomiaru ruchów właściwych odnotowuje się pozycję gwiazd w jednej epoce, a następnie wiele lat później mierzy się pozycję tej samej gwiazdy. Mierzysz przemieszczenie, aby określić, jak bardzo się poruszyła – wyjaśnił Sangmo Tony Sohn z STScI, kolejny 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, co stanowi obszerny punkt odniesienia, który mógł zaoferować tylko Hubble, ze względu na połączenie ostrego, stabilnego obrazu i rekordowego czasu działania. Bogate archiwum danych teleskopu pomogło zmierzyć poziom niepewności w pomiarach ruchów właściwych gwiazd. Precyzja jest równoważna pomiarowi rocznego przesunięcia nieco mniejszego niż szerokość piłki golfowej widzianej na Księżycu z Ziemi.
Dzięki trzem wymiarom danych zespół ograniczył liczbę założeń stosowanych w poprzednich badaniach i uwzględnił cechy charakterystyczne galaktyki – takie jak jej rotacja oraz rozmieszczenie gwiazd i ciemnej materii – w swoich własnych wysiłkach modelowania.
Ekscytująca przyszłość
Metodologie i modele opracowane dla galaktyki karłowatej Smoka mogą być w przyszłości zastosowane do innych galaktyk. Zespół już analizuje obserwacje Hubble’a galaktyki karłowatej Rzeźbiarza i galaktyki karłowatej Małej Niedźwiedzicy.
Badanie ciemnej materii wymaga obserwacji różnych środowisk galaktycznych, a także współpracy między różnymi misjami teleskopów kosmicznych. Na przykład zbliżający się teleskop kosmiczny Nancy Grace Roman pomoże ujawnić nowe szczegóły dotyczące właściwości ciemnej materii w różnych galaktykach dzięki możliwości badania dużych obszarów nieba.
Tego rodzaju badania są inwestycją długoterminową i wymagają dużo cierpliwości – powiedział Vitral. Jesteśmy w stanie przeprowadzić te badania dzięki całemu planowaniu, które zostało przeprowadzone przez lata w celu zebrania tych danych. Zebrane przez nas spostrzeżenia są wynikiem pracy większej grupy badaczy, którzy pracowali nad tymi kwestiami przez wiele lat.
Wyniki te zostały zaakceptowane do publikacji w The Astrophysical Journal.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
