Astrofizycy po raz pierwszy obliczyli pierwotną masę i rozmiar galaktyki karłowatej, która została rozerwana w zderzeniu z Drogą Mleczną miliardy lat temu. Rekonstrukcja pierwotnej galaktyki karłowatej, której gwiazdy dziś przepływają przez Drogę Mleczną w gwiezdnym strumieniu pływowym, pomoże naukowcom zrozumieć, jak formowały się galaktyki takie jak nasza i może pomóc w poszukiwaniu ciemnej materii w naszej Galaktyce.
Przeprowadziliśmy symulacje, które biorą ten duży strumień gwiazd, cofają go o kilka miliardów lat i sprawdzają, jak wyglądał, zanim wpadł w Drogę Mleczną – powiedziała Heidi Newberg, profesor fizyki, astrofizyki i astronomii w Rensselaer Polytechnic Institute. Teraz mamy pomiar na podstawie danych, i jest to pierwszy duży krok w kierunku wykorzystania informacji do znalezienia ciemnej materii w Drodze Mlecznej.
Miliardy lat temu galaktyka karłowata i inne podobne jej galaktyki w pobliżu Drogi Mlecznej zostały wciągnięte do większej galaktyki. Gdy każda galaktyka karłowata zlewała się z Drogą Mleczną, jej gwiazdy były przyciągane przez siły pływowe. Siły te zniekształciły i ostatecznie rozerwały galaktykę karłowatą, rozciągając jej gwiazdy w strumień pływowy rozrzucony po Drodze Mlecznej. Takie pływowe fuzje są dość powszechne, a Newberg szacuje, że „imigranckie” gwiazdy wchłonięte przez Drogę Mleczną stanowią większość gwiazd w galaktycznym halo, mniej więcej kulistym obłoku gwiazd, który otacza ramiona spiralne dysku centralnego.
Co istotne, położenie i prędkość gwiazd strumienia pływowego niosą informacje o polu grawitacyjnym Drogi Mlecznej.
Rekonstrukcja galaktyki karłowatej to zadanie badawcze, które łączy dane z badań gwiazd, fizyki oraz rozproszonego superkomputera MilkyWay@home, który wykorzystuje 1,5 petaflopsa – miarę szybkości przetwarzania danych – mocy komputerów domowych udostępnianych przez wolontariuszy. Tak duża moc obliczeniowa umożliwia symulację zniszczenia dużej liczby galaktyk karłowatych o różnych kształtach i rozmiarach, a także zidentyfikowanie modelu, który najlepiej pasuje do pływowego strumienia gwiazd, jaki widzimy dzisiaj.
Jest to ogromny problem, który rozwiązujemy poprzez przeprowadzenie dziesiątek tysięcy różnych symulacji, aż do uzyskania jednej, która rzeczywiście pasuje. A to wymaga dużej mocy komputera, którą uzyskujemy z pomocą wolontariuszy z całego świata będących częścią MilkyWay@home – powiedziała Newberg. Robimy to brutalnie, ale biorąc pod uwagę, jak skomplikowany jest to problem, myślę, że ta metoda ma wiele zalet.
W artykule opublikowanym 17 lutego 2022 roku w „The Astrophysical Journal”, zespół Newberg szacuje całkowitą masę pierwotnej galaktyki, której gwiazdy tworzą dziś Strumień Orphan-Chenab 2×107 masy naszego Słońca.
Szacuje się, że tylko nieco ponad 1 procent tej masy składa się ze zwykłej materii, takiej jak gwiazdy. Zakłada się, że pozostała część to hipotetyczna substancja zwana ciemną materią, która wywiera siłę grawitacyjną, ale której nie możemy zobaczyć, ponieważ nie pochłania ani nie emituje światła. Istnienie ciemnej materii wyjaśniłoby rozbieżność pomiędzy grawitacyjnym przyciąganiem masy materii, którą możemy zobaczyć, a znacznie większym przyciąganiem potrzebnym do wyjaśnienia formowania się i ruchu galaktyk. Szacuje się, że grawitacyjne przyciąganie ciemnej materii stanowi aż 85 procent materii we Wszechświecie, a strumienie pływowe gwiazd, które wpadły do galaktyk karłowatych, mogą być wykorzystane do określenia, gdzie ciemna materia znajduje się w naszej Galaktyce.
Gwiazdy w strumieniu pływowym są jedynymi gwiazdami w naszej Galaktyce, dla których możliwe jest poznanie ich pozycji w przeszłości – powiedziała dr Newberg. Patrząc na obecną prędkość gwiazd wzdłuż strumienia pływowego i wiedząc, że kiedyś wszystkie one znajdowały się mniej więcej w tym samym miejscu i poruszały się z tą samą prędkością, możemy określić, jak bardzo zmienia się grawitacja wzdłuż tego strumienia. A to powie nam, gdzie w Drodze Mlecznej znajduje się ciemna materia.
Badania wykazały również, że protoplasta strumienia Orphan-Chenab ma mniejszą masę niż galaktyki zmierzone na obrzeżach naszej Galaktyki dzisiaj, i jeżeli ta mała masa zostanie potwierdzona, może to zmienić nasze rozumienie tego, jak małe systemy gwiezdne tworzą się, a następnie łączą razem, tworząc większe galaktyki, takie jak nasza Droga Mleczna.
Dr Newberg, ekspert w dziedzinie halo galaktycznego, jest pionierem w identyfikowaniu pływowych strumieni gwiazdowych w Drodze Mlecznej. Ma nadzieję, że pewnego dnia MilkyWay@home pomoże jej zmierzyć więcej niż tylko własności jednej rozpadającej się galaktyki karłowatej. Idealnie byłoby, gdyby udało jej się jednocześnie zmierzyć wiele galaktyk karłowatych, ich orbity oraz własności samej Drogi Mlecznej. Cel ten jest o tyle skomplikowany, że właściwości naszej Galaktyki zmieniają się w ciągu miliardów lat, które są potrzebne, aby mała galaktyka wpadła do środka i została rozerwana, tworząc strumienie pływowe.
Poprzez żmudne śledzenie drogi gwiazd wciąganych do Drogi Mlecznej, dr Newberg i jej zespół budują obraz, który pokazuje nam nie tylko dawno zniszczoną galaktykę karłowatą, ale także rzuca światło na formowanie się naszej galaktyki i samą naturę materii – powiedział Curt Breneman, dziekan Rensselaer School of Science.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Ancient Dwarf Galaxy Reconstructed with MilkyWay@home Volunteer Computer
- Estimate of the Mass and Radial Profile of the Orphan–Chenab Stream's Dwarf-galaxy Progenitor Using MilkyWay@home
Źródło: RPI
Na ilustracji: Wizja artystyczna galaktyki Drogi Mlecznej. Źródło: RPI.
