Chociaż galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, jej natura wciąż jest owiana tajemnicą. Zrozumienie jej rozmieszczenia w galaktyce daje wskazówki do zrozumienia tej tajemniczej substancji.
Właściwości i zachowanie ciemnej materii, niewidzialnego „kleju” Wszechświata, nadal owiane są tajemnicą. Chociaż galaktyki składają się w znacznej mierze właśnie z niej, zrozumienie jej rozmieszczenia w galaktyce umożliwia lepsze uchwycenie 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 użył Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (HST), aby spróbować wyjaśnić tę kwestię, mierząc dynamiczne ruchy gwiazd w galaktyce Karzeł Smoka –galaktyce karłowatej sferoidalnej znajdującej się około 250 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Po przeszukania danych z 18 lat obserwacji galaktyki Smoka wykonanych przez HST udało im się uzyskać najdokładniejszy jak dotąd trójwymiarowy obraz ruchów gwiazd w tej maleńkiej galaktyce.
Wykresy ruchów gwiazd
Aby poznać ciemną materię w galaktyce, naukowcy mogą przyjrzeć się ruchom jej gwiazd, którymi steruje przede wszystkim przyciąganie ciemnej materii. Metodą 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 prędkość ta w linii wzroku może dostarczyć cennych informacji, jest to jedynie jednowymiarowe źródło informacji. 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 dokonał bezprecedensowej analizy ruchów 3D gwiazd.
Poprawa danych i ulepszenia modelowania zwykle idą w parze – wyjaśnił Roeland van der Marel ze Space Telescope Science Institute (STScI) na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa w Baltimore, współautor artykułu, który zainicjował omawiane badania ponad 10 lat temu. Jeżeli nie mamy bardzo wyrafinowanych danych lub tylko jednowymiarowe dane, wówczas stosunkowo proste modele często pasują. Im więcej wymiarów i złożoności danych gromadzisz, tym bardziej złożone muszą być nasze 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 – i 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 czekamy, tym lepiej możemy zmierzyć przesuwanie się gwiazd.
Zespół przeanalizował serię epok obejmujących lata 2004–2022, co stanowi obszerny punkt odniesienia, który mógł zaoferować tylko HST (ze względu na połączenie ostrego, stabilnego obrazu i rekordowego czasu działania). Bogate archiwum danych pozyskanych przez teleskop 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 – podczas modelowania.
Ekscytująca przyszłość
Metody i modele opracowane dla galaktyki karłowatej Smoka mogą być w przyszłości zastosowane do badania innych galaktyk. Zespół już analizuje dokonane za pomocą HST obserwacje 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 budowany już 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 długoterminową inwestycją i wymagają dużo cierpliwości – powiedział Vitral. Jesteśmy je w stanie przeprowadzić dzięki zbieraniu danych przez lata. 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
Więcej informacji:
- NASA’s Hubble Traces Dark Matter in Dwarf Galaxy Using Stellar Motions
- HSTPROMO Internal Proper-motion Kinematics of Dwarf Spheroidal Galaxies. I. Velocity Anisotropy and Dark Matter Cusp Slope of Draco
Źródło: NASA
Na ilustracji: 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 HST. Źródło: NASA, ESA, Eduardo Vitral, Roeland van der Marel oraz Sangmo Tony Sohn (STScI), DSS; Obróbka zdjęcia: Joseph DePasquale (STScI)
