Mierząc prędkość gwiazd w całej Drodze Mlecznej, fizycy z MIT odkryli, że gwiazdy znajdujące się dalej w dysku galaktycznym niż Słońce poruszają się wolniej, niż oczekiwano, w porównaniu do gwiazd znajdujących się bliżej centrum galaktyki. Odkrycie stwarza zaskakującą możliwość: jądro naszej galaktyki może być mniej masywne, a tym samym zawierać mniej ciemnej materii, niż dotychczas zakładano.
Nowe wyniki opierają się na przeprowadzonej przez zespół analizie danych zebranych przez instrumenty Gaia i APOGEE. Gaia to teleskop kosmiczny znajdujący się na orbicie okołoziemskiej, który śledzi dokładne położenie, odległość i ruch ponad miliarda gwiazd w całej galaktyce, natomiast APOGEE to badania prowadzone z powierzchni naszej planety.
Fizycy przeanalizowali pomiary wykonane przez sondę Gaia dla ponad 33 000 gwiazd, w tym niektórych z najdalszych gwiazd w galaktyce, i określili, z jaką prędkością każda z nich krąży w dysku galaktycznym, uwzględniając przy tym odległość każdej z gwiazd od centrum Drogi Mlecznej.
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 normalnej i ciemnej materii znajduje się w całej galaktyce.
Wyniki analizy okazały się sporym zaskoczeniem. Okazało się bowiem, że idąc od wnętrza galaktyki, krzywa pozostaje płaska, a następnie, w pewnej odległości zaczyna się załamywać. Oznacza to, że gwiazdy znajdujące się w zewnętrznych rejonach galaktyki krążą wokół centrum galaktyki nieco wolniej, niż oczekiwano.
Zespół przełożył nową krzywą rotacji na rozkład ciemnej materii, który mógłby wyjaśnić spowolnienie gwiazd zewnętrznych, i odkrył, że na podstawie powstałej mapy jądro galaktyki jest lżejsze, niż oczekiwano. To z kolei może oznaczać mniej ciemnej materii w centrum Drogi Mlecznej, niż zakładano.
Problem w tym, że wyniki te stoją w sprzeczności z innymi pomiarami. Powstaje zatem pytanie, skąd bierze się ta rozbieżność. Bez jej rozwiązania nie jesteśmy w stanie stworzyć spójnego obrazu naszej galaktyki. Wyniki badań opublikowano w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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. astronomka Vera Rubin jako pierwsza zaobserwowała, że galaktyki obracają się w sposób, którego nie może napędzać wyłącznie widzialna materia. Ona i jej koledzy zmierzyli prędkość rotacji 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 od centrum gwiazdy musi oddziaływać jakiś inny rodzaj niewidzialnej materii, która zwiększa ich prędkość. Był to pierwszy mocny dowód na istnienie ciemnej materii, której — według obecnych szacunków — jest we wszechświecie znacznie więcej niż materii widzialnej.
Od tego czasu astronomowie zaobserwowali podobne płaskie krzywe w odległych galaktykach, co dodatkowo potwierdza obecność ciemnej materii. Prędzej czy później musiał przyjść czas na podjęcie próby wykreślenia krzywej rotacji dla gwiazd w naszej własnej galaktyce.
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, aczkolwiek z łagodnym spadkiem, podobnie jak w przypadku innych odległych galaktyk. Wskazuje to, że galaktyka prawdopodobnie ma w swoim jądrze sporo ciemnej materii. Jednak pogląd ten uległ zmianie, gdy teleskop wypuścił nową partię danych, tym razem obejmującą gwiazdy znajdujące się w odległości nawet 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”.
Frebel, Necib, Ou i Eilers skorzystali z nowych danych Gai, chcąc rozszerzyć początkową krzywą rotacji Eilers. Aby udoskonalić swoją analizę, zespół uzupełnił dane Gai pomiarami wykonanymi przez APOGEE — eksperyment Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, w ramach którego mierzy się niezwykle szczegółowo właściwości ponad 700 000 gwiazd Drogi Mlecznej, takie jak ich jasność, temperatura i skład pierwiastkowy.
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.
No i tu pojawił się problem!
Zamiast łagodnego spadku, jak poprzednie krzywe rotacji, zespół zaobserwował, że nowa krzywa na zewnętrznym końcu obniżyła się mocniej, niż oczekiwano. Oznacza to, że na zewnętrznych krawędziach Drogi Mlecznej gwiazdy zauważalnie zwalniają.
Kiedy zespół przełożył tę krzywą rotacji na ilość ciemnej materii, która musi istnieć w całej galaktyce, odkrył, że jądro Drogi Mlecznej może zawierać znacznie mniej ciemnej materii, niż dotychczas uważano. Rozwikłanie tej zagadki będzie miało ogromne konsekwencje dla postrzegania naszego galaktycznego domu. Możliwe, że za krawędzią dysku galaktyki znajduje się znacznie więcej masy. Możliwe jednak, że w centrum Drogi Mlecznej ciemnej materii nie ma wcale tak dużo.
Źródło: 1