By 
Вимірюючи швидкість зірок у всій галактиці Чумацький Шлях, фізики Массачусетського технологічного інституту виявили, що зірки, розташовані далі в галактичному диску, рухаються повільніше, ніж очікувалося, порівняно з зірками, розташованими ближче до центру галактики. Отримані дані відкривають дивовижну можливість: гравітаційне ядро Чумацького Шляху може бути легшим за масою та містити менше темної матерії, ніж вважалося раніше.
Нові результати ґрунтуються на аналізі командою даних, отриманих інструментами Gaia та APOGEE. Gaia — це орбітальний космічний телескоп, який відстежує точне місцезнаходження, відстань і рух понад 1 мільярда зірок у всій галактиці Чумацький Шлях, а APOGEE — це наземне дослідження.
Фізики проаналізували вимірювання Gaia понад 33 000 зірок, включаючи деякі з найдальших зірок у галактиці, і визначили «кругову швидкість» кожної зірки або швидкість обертання зірки в галактичному диску, враховуючи відстань зірки від центру галактики. .
Вчені побудували графік залежності швидкості кожної зірки від відстані до неї, щоб створити криву обертання — стандартний графік в астрономії, який показує швидкість обертання матерії на заданій відстані від центру галактики. Форма цієї кривої може дати вченим уявлення про те, скільки видимої та темної матерії розподілено по всій галактиці.
«Що ми були дуже здивовані, побачивши, що ця крива залишалася плоскою, плоскою, плоскою до певної відстані, а потім почала спадати», — каже Ліна Несіб, доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту. «Це означає, що зовнішні зірки обертаються трохи повільніше, ніж очікувалося, що є дуже дивним результатом».
Команда перевела нову криву обертання на розподіл темної матерії, що могло пояснити уповільнення зовнішніх зірок, і виявила, що отримана карта створила легше галактичне ядро, ніж очікувалося. Тобто центр Чумацького Шляху може бути менш щільним і мати менше темної матерії, ніж вважали вчені.
«Це ставить цей результат у протиріччя з іншими вимірюваннями», — каже Несіб. «Десь відбувається щось дивне, і дуже цікаво з’ясувати, де це, щоб мати справді послідовну картину Чумацького Шляху».
Команда повідомляє про свої результати в Щомісячних повідомленнях Королівського астрономічного товариства. Співавторами дослідження з Массачусетського технологічного інституту, включаючи Несіба, є перший автор Сяовей Оу, Анна-Крістіна Ейлерс і Анна Фребель.
«У небутті»
Як і більшість галактик у Всесвіті, Чумацький Шлях обертається, як вода у вирі, і його обертанням частково керує вся матерія, яка обертається всередині його диска. У 1970-х роках астроном Віра Рубін першою помітила, що галактики обертаються таким чином, що не може керуватися тільки видимою матерією.
Вона та її колеги виміряли кругову швидкість зірок і виявили, що отримані криві обертання були напрочуд плоскими. Тобто швидкість зірок залишалася незмінною по всій галактиці, а не падала з відстанню. Вони прийшли до висновку, що якийсь інший тип невидимої матерії повинен діяти на далекі зірки, щоб надати їм додатковий поштовх.
Робота Рубіна над кривими обертання була одним із перших переконливих доказів існування темної матерії — невидимої невідомої сутності, яка, за оцінками, переважає всі зірки та іншу видиму матерію у Всесвіті.
Відтоді астрономи спостерігали подібні плоскі криві у далеких галактиках, що ще більше підтверджує присутність темної матерії. Лише нещодавно астрономи спробували побудувати криву обертання в нашій власній галактиці з зірками.
«Виявилося, що важче виміряти криву обертання, коли ви сидите всередині галактики», — зазначає Оу.
У 2019 році Анна-Крістіна Ейлерс, доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту, працювала над побудовою кривої обертання Чумацького Шляху, використовуючи попередні дані, оприлюднені супутником Gaia. Цей випуск даних включав зірки на відстані 25 кілопарсек, або приблизно 81 000 світлових років, від центру галактики.
Ґрунтуючись на цих даних, Ейлерс помітив, що крива обертання Чумацького Шляху виглядає пласкою, хоча й з легким спадом, подібно до інших далеких галактик, і, виходячи з цього, галактика, ймовірно, мала високу щільність темної матерії у своєму ядрі. Але ця точка зору тепер змінилася, коли телескоп оприлюднив нову партію даних, цього разу включаючи зірки на відстані до 30 кілопарсек — майже 100 000 світлових років від ядра галактики.
«На цих відстанях ми знаходимося прямо на краю галактики, де зірки починають гаснути», — каже Фребель. «Ніхто не досліджував, як матерія рухається в цій зовнішній галактиці, де ми насправді перебуваємо в небутті».
Дивна напруга
Фребель, Несіб, Оу та Ейлерс використали нові дані Gaia, намагаючись розширити початкову криву обертання Ейлерса. Щоб уточнити свій аналіз, команда доповнила дані Gaia вимірюваннями APOGEE — експерименту галактичної еволюції Apache Point Observatory, який вимірює надзвичайно детальні властивості понад 700 000 зірок у Чумацькому Шляху, такі як їх яскравість, температура та елементний склад.
«Ми подаємо всю цю інформацію в алгоритм, щоб спробувати дізнатися зв’язки, які потім можуть дати нам кращі оцінки відстані до зірки», — пояснює Оу. «Так ми можемо відштовхуватися на більші відстані».
Команда встановила точні відстані для більш ніж 33 000 зірок і використала ці вимірювання для створення тривимірної карти зірок, розкиданих по Чумацькому Шляху, приблизно до 30 кілопарсек. Потім вони включили цю карту в модель кругової швидкості, щоб змоделювати, з якою швидкістю має рухатися одна зірка, враховуючи розподіл усіх інших зірок у галактиці. Потім вони нанесли на діаграму швидкість і відстань кожної зірки, щоб отримати оновлену криву обертання Чумацького Шляху.
«Ось тут і виникла дивина», — каже Несіб.
Замість того, щоб спостерігати помірне зниження, як у попередніх кривих обертання, команда помітила, що нова крива опускається сильніше, ніж очікувалося, на зовнішньому кінці. Цей несподіваний спад свідчить про те, що хоча зірки можуть подорожувати на певну відстань так само швидко, вони раптово сповільнюються на найдальших відстанях. Зірки на околиці, здається, подорожують повільніше, ніж очікувалося.
Коли команда перевела цю криву обертання на кількість темної матерії, яка повинна існувати по всій галактиці, вони виявили, що ядро Чумацького Шляху може містити менше темної матерії, ніж передбачалося раніше.
«Цей результат суперечить іншим вимірюванням», — каже Несіб. «Дійсне розуміння цього результату матиме глибокі наслідки. Це може призвести до появи більшої кількості прихованих мас за межами галактичного диска або до перегляду стану рівноваги нашої галактики. Ми прагнемо знайти ці відповіді в майбутній роботі, використовуючи високі моделювання роздільної здатності галактик, схожих на Чумацький Шлях».
Comments