Фізики Массачусетського технологічного інституту, які вимірюють швидкість зір у галактиці Молочний Шлях, виявили: зорі, розташовані далі в галактичному диску, рухаються повільніше, ніж очікувалося, як порівняти із зорями, розташованими ближче до центра галактики. Отримані дані вказують на дивовижний факт: ядро Молочного Шляху може бути меншої маси та містити менше темної матерії, ніж досі вважали астрономи.
Нові результати здобуто з аналізу даних, отриманих інструментами Gaia («Ґайя») та APOGEE. «Ґайя» — це космічний телескоп, який відстежує точне місцезнаходження, відстань і рух понад 1 мільярда зір в Галактиці, а APOGEE — це наземне дослідження.
Фізики проаналізували дані вимірювань Gaia понад 33 000 зір, зокрема і деяких з найдальших зір Галактики, і визначили «кругову швидкість» («circular velocity») кожної з них або швидкість обертання зірки в галактичному диску, враховуючи її відстань від центра Галактики.
Науковці побудували графік залежності швидкості кожної зорі від відстані до неї, щоб створити криву обертання — стандартний графік в астрономії, який показує швидкість обертання матерії на заданій відстані від центра галактики. Форма цієї кривої може дати дослідникам уявлення про те, скільки видимої та темної матерії розподілено по всій галактиці.
«Ми дуже здивувалися, побачивши, що ця крива була плоскою до певної відстані, а потім почала спадати», — сказала Ліна Несіб (Lina Necib), доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту. «Це означає, що зовнішні зорі обертаються трохи повільніше, ніж очікувалося, що є дуже дивним результатом».
Наукова група наклала нову криву обертання на розподіл темної матерії, що могло б пояснити уповільнення зовнішніх зір, і отримала мапу розподілу зір. Ця мапа вказує на те, що маса ядра Галактики менша, ніж мало бути згідно з сучасними уявленнями. Тобто центр Молочного Шляху може бути менш щільним і мати менше темної матерії, ніж вважали астрономи.
Плоска (в координатах X та Y) мапа розподілу 33 335 зір в Галактиці. Центр мапи позначає центр Галактики. Вектори (стрілки) позначають середню швидкість зір для кожного діапазону відстаней. Кольорами показано кількість зір у кожному такому діапазоні. Авторські права на зображення: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae034. Фото з сайту https://phys.org.
«Наш результат суперечить іншими вимірюваннями», — зазначила Несіб. «Десь відбувається щось дивне, і дуже цікаво з’ясувати, де це, щоб мати справді послідовну картину Молочного Шляху».
Як і для більшості галактик у Всесвіті, обертання Молочного Шляху схоже на рух води у вирі. Це обертання залежить від всієї матерії, яка міститься всередині диска галактики. У 1970-х роках астроном Віра Рубін першою помітила, що обертання галактик неможливо описати, якщо його визначає тільки видима матерія.
Вона та її колеги виміряли крутову швидкість зір і виявили, що отримані криві обертання на деякій відстані від центра були напрочуд плоскими. Тобто швидкість зір була незмінною, а не падала з відстанню. Вони дійшли висновку, що якийсь інший тип невидимої матерії має діяти на далекі зірки, щоб надати їм додатковий поштовх.
Робота Рубін над кривими обертання була одним із перших переконливих доказів існування темної матерії — невидимої невідомої сутності, яка, за оцінками, переважає всю видиму матерію у Всесвіті.
У 2019 р. Анна-Крістіна Ейлерс (Anna-Christina Eilers), доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту, працювала над побудовою кривої обертання Молочного Шляху, використовуючи попередні дані, оприлюднені супутником Gaia. Цей випуск містив дані про зорі до відстані 25 кілопарсек, або приблизно 81 000 світлових років, від центра Галактики.
Крива обертання Молочного Шляху, побудована Ейлерс, була плоскою, хоча й з легким спадом, як і в інших далеких галактик. Це вказувало на те, що Галактика, ймовірно, мала в ядрі високу щільність темної матерії. Але такі погляди тепер змінилася, коли телескоп оприлюднив нову партію даних, цього разу для зір на відстані до 30 кілопарсек — майже 100 000 світлових років від ядра Галактики.
«На цих відстанях ми перебуваємо прямо на краю Галактики, де зорі трапляються рідко», — сказала учасниця дослідження Анна Фребель (Anna Frebel). «Ніхто не вивчав, як матерія рухається в зовнішній частині Галактиці, де навколо нас немає майже нічого».
Науковці використали нові дані «Ґайя», намагаючись розширити початкову криву обертання Ейлерс. Щоб уточнити свій аналіз, наукова група доповнила дані Gaia вимірюваннями APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) — експерименту з галактичної еволюції обсерваторії Апачі-Пойнт. В цьому експерименті астрономи дуже докладно визначають властивості (яскравість, температура та хімічний склад) понад 700 000 зір Молочного Шляху.
Наукова група встановила точні відстані для понад 33 000 зір і побудувала тривимірну мапу положення зір, розкиданих по Молочному Шляху до відстані приблизно 30 кілопарсек. Потім вони додали цю мапу в модель кругової швидкості, щоб змоделювати, з якою швидкістю має рухатися одна зоря, зважаючи на розподіл усіх інших зір у Галактиці. Потім дослідники нанесли на діаграму швидкість і відстань кожної зорі, щоб отримати оновлену криву обертання Молочного Шляху.
«Ось тут і виникла дивина», — сказала Несіб. Замість того, щоб спостерігати помірне зниження, як у раніше побудованих кривих обертання, наукова група помітила, що на зовнішньому кінці нова крива опускається сильніше, ніж очікувалося. Цей несподіваний спад свідчить про те, що зорі на околиці, здається, рухаються повільніше, ніж досі вважали астрономи.
Коли наукова група співвіднесла цю криву обертання з кількістю темної матерії, яка має існувати по всій галактиці, то виявила, що ядро Молочного Шляху може містити менше темної матерії, ніж передбачалося раніше.
Ліна Несіб зауважила: «Розуміння цього результату матиме глибокі наслідки. Це може привести до виявлення більшої кількості прихованої маси за межами галактичного диска або до перегляду стану рівноваги нашої галактики. Ми прагнемо знайти ці відповіді в майбутній роботі, використовуючи моделювання галактик, схожих на Чумацький Шлях, з високою роздільною здатністю».
Наукова група повідомляє про свої результати в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Співавторами дослідження з Массачусетського технологічного інституту, окрім Несіб та Фребель, є перший автор статті Сяовей Оу (Xiaowei Ou) і Анна-Крістіна Ейлерс.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
