Kiedy mała galaktyka zbliża się zbyt blisko Drogi Mlecznej, przyciąga ją grawitacja z naszej większej galaktyki. Gaz i gwiazdy są rozrywane z przechodzącej galaktyki, gdy opada do wewnątrz ku swojemu przeznaczeniu, tworząc strumienie materiału, które rozciągają się między parą galaktyczną. Strumienie te nadal rozrywają gwiazdy, dopóki nie spadnie obiekt infallingu. Po zakończeniu fuzji, jedynymi pozostałymi śladami pożartego obiektu są gwiezdne strumienie wijące się przez Drogę Mleczną, mała próbka gwiazd z odległej galaktyki.
Oprócz tego, że jest zapisem przeszłości, jeden z tych strumieni może stanowić pierwszy bezpośredni dowód na gromady ciemnej materii na małą skalę - nieuchwytny materiał, który, jak się uważa, stanowi 85 procent całej materii we wszechświecie. Niedawna analiza śladu gwiazd ujawnia, że oddziaływał on z gęstym obiektem w ciągu ostatnich kilkuset milionów lat. Po wykluczeniu najbardziej prawdopodobnych podejrzanych naukowcy ustalili, że stosunkowo niedawno utworzona szczelina w strumieniu mogła być spowodowana niewielką grudką ciemnej materii. Jeśli zostanie to potwierdzone, wiry tego gwiezdnego strumienia mogą pomóc naukowcom uporządkować konkurencyjne teorie na temat ciemnej materii, a być może nawet zbliżyć się do cech tajemniczego materiału.
Gwiezdny strumień znany jako GD-1 jest cienkim strumieniem materiału schowanym w halo galaktycznym, luźnym zbiorze gwiazd i gazów otaczających dysk Drogi Mlecznej. Korzystając z danych opublikowanych w kwietniu ubiegłego roku z teleskopu kosmicznego Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, który jest w trakcie składania najbardziej szczegółowej mapy gwiazd Drogi Mlecznej, jakie kiedykolwiek powstały, astronomowie byli w stanie wykorzystać dokładne dane o położeniu do odtworzenia ruchu gwiazd w GD -1. Oderwany od chmury materiału strumień jest ostatnią pozostałością obiektu, który prawdopodobnie został pochłonięty przez naszą galaktykę w ciągu ostatnich 300 milionów lat - link do oka w astronomicznych skalach czasowych.
Artystyczny rendering obserwatorium kosmicznego Gaia ESA, teleskopu astrometrycznego przeznaczonego do pomiaru pozycji i ruchów gwiazd. (ESA / NASA) Gaia znalazła dwie małe przerwy w strumieniu, pierwszą jednoznaczną obserwację luk w strumieniu gwiezdnym, a także gęsty zbiór gwiazd zwany ostrogą. Razem te cechy sugerują, że mały, ale masywny obiekt wstrząsnął materiałem strumienia.
„Myślę, że jest to pierwszy bezpośredni dowód dynamiczny na małą [strukturę] ciemnej materii” - mówi Adrian Price-Whelan, astronom z Flatiron Institute w Nowym Jorku. We współpracy z Ana Bonaca z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics Price-Whelan zbadał nowo odkryte struktury w GD-1 w celu ustalenia ich źródła i przedstawił wyniki na początku tego roku podczas zimowego spotkania American Astronomical Society.
**********
Przy około 33 000 lat świetlnych (10 kiloparseków) GD-1 jest najdłuższym strumieniem gwiezdnym w halo galaktycznym. Podczas gdy Price-Whelan i jego koledzy byli w stanie użyć modeli, aby pokazać, że jedna z luk powstała podczas generowania strumienia, druga pozostała tajemnicą. Jednak wraz z układanką Gaia ujawniła również rozwiązanie: ostroga.
Kiedy obiekt mija gwiezdny strumień lub przechodzi przez niego, zakłóca gwiazdy. Price-Whelan porównuje zakłócenia do silnego strumienia powietrza wiejącego przez strumień wody. Woda - lub gwiazdy - suną na zewnątrz wzdłuż ścieżki zakłócającego, tworząc szczelinę. Niektóre poruszają się tak szybko, że uciekają ze strumienia i odlatują w kosmos, zagubione na zawsze. Inne są wciągane z powrotem do strumienia, tworząc wiropodobne cechy, które astronomowie nazywają ostrogami. Po kilkuset milionach lat większość ostrogów wtapia się z powrotem w strumień i pozostaje tylko luka, choć niektóre mogą przetrwać dłużej.
Jeśli chodzi o wykrywanie struktur w strumieniach gwiezdnych, Price-Whelan nazywa GD-1 „strumieniem Złotowłosa”, ponieważ znajduje się we właściwym miejscu. GD-1 znajduje się w gwiazdach Drogi Mlecznej, ale porusza się w przeciwnym kierunku, co ułatwia astronomom wybieranie gwiazd w strumieniu z otaczających obiektów. „W dowolnym miejscu porusza się inaczej niż większość innych gwiazd w tej części nieba” - mówi Price-Whelan.
Naukowcy modelowali, jaki typ obiektów może być odpowiedzialny za stosunkowo nowonarodzoną ostrogę wykrytą w GD-1. Ustalili, że odpowiedzialny obiekt musiał ważyć masę od około 1 do 100 milionów razy większą niż masa Słońca. Obiekt rozciągający się na około 65 lat świetlnych (20 szt.) Byłby niezwykle gęsty. Interakcja między strumieniem a gęstym obiektem prawdopodobnie nastąpiłaby w ciągu ostatnich kilkuset milionów lat z 13, 8 miliarda lat życia wszechświata.
Schemat naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Ciemna materia nie jest jedynym obiektem, który mógł zakłócić gwiezdny strumień. Gromada w pobliżu gromada kulista lub galaktyka karłowa, która mogłaby również powstać w pobliżu, mogłaby stworzyć szczelinę i pobudzić. Price-Whelan i jego koledzy zwrócili oczy na wszystkie znane takie obiekty i obliczyli ich orbity, stwierdzając, że żaden z nich nie zbliżył się do GD-1 w ciągu ostatnich miliardów lat, aby wstrząsnąć. Przypadkowe spotkanie z pierwotną czarną dziurą mogło spowodować, że gwiazdy strumienia latają, ale byłoby to niezwykle rzadkie wydarzenie.
Według symulacji ciemnej materii, które pozwalają na małe struktury, dziesiątki nasion ciemnej materii są rozproszone przez galaktyki, takie jak Droga Mleczna. Oczekuje się, że strumień taki jak GD-1 napotka co najmniej jedno takie ziarno w ciągu ostatnich 8 miliardów lat, co sprawi, że ciemna materia będzie znacznie bardziej prawdopodobnym perturberem na podstawie częstości napotkania niż jakikolwiek inny obiekt.
**********
Ciemna materia stanowi większość masy we wszechświecie, ale nigdy nie była bezpośrednio obserwowana. Dwie wiodące teorie dotyczące jego istnienia to model ciepłej ciemnej materii i model zimnej ciemnej materii Lambda (ΛCDM), który jest modelem preferowanym przez większość naukowców. Pod ΛCDM ciemna materia tworzy grudki, które mogą być tak duże jak galaktyka lub tak małe jak puszka z napojem. Modele z ciepłą ciemną materią sugerują, że materiał ma mniej masywne cząstki i brakuje struktur wielkości puszki, co sugeruje model ΛCDM. Znalezienie dowodów na istnienie struktur ciemnej materii na małą skalę może pomóc wyeliminować niektóre modele i zacząć zawężać niektóre cechy kuszących rzeczy.
„Strumienie mogą być jedyną drogą, którą moglibyśmy [wykorzystać] do badania najniższego masowego końca tego, co robi ciemna materia”, mówi Price-Whelan. „Jeśli chcemy być w stanie potwierdzić, odrzucić lub wykluczyć różne teorie ciemnej materii, naprawdę musimy wiedzieć, co dzieje się na [niskim] końcu”.
Dane Gai pomogły zidentyfikować gwiazdy ostrogi, ale nie są wystarczająco szczegółowe, aby porównać różnice prędkości między nimi a gwiazdami w strumieniu, co może pomóc potwierdzić, że ciemna materia zaburzała strukturę. Price-Whelan i jego koledzy chcą użyć Kosmicznego Teleskopu Hubble'a do dalszego badania ruchu słabych gwiazd w GD-1. Chociaż Gaia otworzyła drzwi do szeroko zakrojonych badań ruchu gwiazd w Drodze Mlecznej, Price-Whelan twierdzi, że nie może konkurować z HST, jeśli chodzi o bardzo słabe gwiazdy. „Możesz wiercić znacznie głębiej, gdy masz dedykowany teleskop, taki jak Hubble” - mówi.
Różnice w ruchu gwiazd strumienia i ostrogi mogą pomóc astronomom w określeniu ilości energii przenoszonej przez przeszkadzający obiekt, a także pozwolić badaczom obliczyć jego orbitę. Te informacje mogą być wykorzystane do wyśledzenia destrukcyjnego skupiska ciemnej materii i zbadania jej bezpośredniego otoczenia.
Oprócz dokładniejszych badań GD-1 astronomowie planują zastosować te same techniki, które umożliwiają dane Gai, do niektórych z ponad 40 innych strumieni otaczających Drogę Mleczną. Wykrywanie ostrog i luk w innych strumieniach i wiązanie ich z ciemną materią może jeszcze bardziej poprawić nasze zrozumienie, w jaki sposób tajemnicza substancja wchodzi w interakcje z widzialną galaktyką.
Po dziesięcioleciach zastanawiania się nad tajemnicą ciemnej materii luki i ostrogi w strumieniach gwiazdowych, takich jak GD-1, mogą w końcu pomóc odkryć sekrety substancji, która stanowi większość wszechświata. „To jedna z najbardziej ekscytujących rzeczy, które pojawiły się w Gai” - mówi Price-Whelan.
