«Хаббл» от NASA отслеживает темную материю в карликовой галактике, используя звездные движения

Свойства и поведение темной материи, невидимого «клея» вселенной, продолжают быть окутаны тайной. Хотя галактики в основном состоят из темной материи, понимание того, как она распределена внутри галактики, дает ключи к пониманию того, что это за субстанция и как она связана с эволюцией галактики.

В то время как компьютерное моделирование предполагает, что темная материя должна скапливаться в центре галактики, называемом пиком плотности, многие предыдущие телескопические наблюдения показали, что вместо этого она более равномерно распределена по всей галактике. Причина этого напряжения между моделью и наблюдением продолжает озадачивать астрономов, усиливая загадку темной материи.

Группа астрономов обратилась к космическому телескопу Хаббл НАСА, чтобы попытаться прояснить этот спор, измерив динамические движения звезд в карликовой галактике Дракон, системе, расположенной примерно в 250 000 световых лет от Земли. Используя наблюдения, которые охватывали 18 лет, им удалось построить самое точное трехмерное понимание движений звезд в пределах крошечной галактики. Это потребовало прочесывания почти двух десятилетий архивных наблюдений Хаббла галактики Дракон.

«Наши модели, как правило, больше согласуются со структурой, похожей на касп, что соответствует космологическим моделям», — сказал Эдуардо Витраль из Института науки космического телескопа (STScI) в Балтиморе и ведущий автор исследования. «Хотя мы не можем определенно сказать, что все галактики содержат распределение темной материи, похожее на касп, волнительно иметь такие хорошо измеренные данные, которые превосходят все, что у нас было раньше».

Картографирование движения звезд

Чтобы узнать о темной материи в галактике, ученые могут взглянуть на ее звезды и их движения, которые доминируют под воздействием темной материи. Распространенный подход к измерению скорости объектов, движущихся в космосе, — это эффект Доплера — наблюдаемое изменение длины волны света, если звезда приближается или удаляется от Земли. Хотя эта скорость по линии прямой видимости может дать ценную информацию, из этого одномерного источника информации можно почерпнуть лишь ограниченное количество информации.

Помимо того, что звезды приближаются или удаляются от нас, они также движутся по небу, измеряемому как их собственное движение. Объединив скорость по линии визирования с собственными движениями, команда создала беспрецедентный анализ трехмерных движений звезд, кварцевый песок +для пескоструя цена.

«Улучшения в данных и улучшения в моделировании обычно идут рука об руку», — пояснил Руланд ван дер Марел из STScI, соавтор статьи, который инициировал исследование более 10 лет назад. «Если у вас нет очень сложных данных или только одномерных данных, то часто могут подойти относительно простые модели. Чем больше измерений и сложности данных вы собираете, тем сложнее должны быть ваши модели, чтобы по-настоящему охватить все тонкости данных».

Научный марафон (не спринт)

Поскольку известно, что карликовые галактики содержат больше темной материи, чем другие типы галактик, команда сосредоточилась на карликовой галактике Дракон, которая представляет собой сравнительно небольшой и сфероидальный близлежащий спутник галактики Млечный Путь.

«При измерении собственных движений вы отмечаете положение звезды в одну эпоху, а затем много лет спустя измеряете положение той же самой звезды. Вы измеряете смещение, чтобы определить, насколько она сдвинулась», — объяснил Сангмо Тони Сон из STScI, еще один соавтор статьи и главный исследователь последней наблюдательной программы. «Для такого рода наблюдений, чем дольше вы ждете, тем лучше вы можете измерить смещение звезд».

Команда проанализировала ряд эпох, охватывающих период с 2004 по 2022 год, обширную базу, которую мог предложить только Хаббл, благодаря сочетанию его острого стабильного зрения и рекордного времени работы. Богатый архив данных телескопа помог снизить уровень неопределенности в измерении собственных движений звезд. Точность эквивалентна измерению годового смещения, немного меньшего, чем ширина мяча для гольфа, как видно на Луне с Земли.

Используя трехмерные данные, команда сократила количество допущений, применявшихся в предыдущих исследованиях, и учла характеристики, характерные для галактики, такие как ее вращение, распределение звезд и темной материи, в своих собственных попытках моделирования.

Захватывающее будущее

Методологии и модели, разработанные для карликовой галактики Дракон, могут быть применены к другим галактикам в будущем. Команда уже анализирует наблюдения Хаббла за карликовой галактикой Скульптор и карликовой галактикой Малая Медведица.

Изучение темной материи требует наблюдения за различными галактическими средами, а также подразумевает сотрудничество между различными миссиями космических телескопов. Например, предстоящий космический телескоп НАСА Nancy Grace Roman поможет раскрыть новые детали свойств темной материи в различных галактиках благодаря своей способности исследовать большие участки неба.

«Такого рода исследование — это долгосрочная инвестиция, требующая большого терпения», — размышлял Витраль. «Мы способны заниматься этой наукой благодаря всему планированию, которое было сделано на протяжении многих лет для фактического сбора этих данных. Собранные нами идеи — это результат работы большой группы исследователей, которые работали над этими вещами много лет».