Vintergatans långsammare yttre stjärnor tyder på att mörk materia är överskattad

By | February 1, 2024

Ny forskning från MIT avslöjar att stjärnor vid kanten av Vintergatan rör sig långsammare än väntat, vilket antyder att galaxens kärna kan innehålla mindre mörk materia, vilket utmanar nuvarande astronomiska teorier. Kredit: SciTechDaily.com

Lättare av Vintergatans gravitationskärna i massa

En studie av MIT-fysiker tyder på att Vintergatans gravitationskärna kan vara lättare i massa och innehålla mindre mörk materia än man tidigare trott. Kredit: ESA/Gaia/DPAC, redigerad av MIT News

Utmanande teorier om mörk materia

Teamet översatte den nya rotationskurvan till en fördelning av mörk materia som kunde förklara avmattningen av de yttre stjärnorna, och fann att den resulterande kartan producerade en ljusare än förväntat galaktisk kärna. Det vill säga, mitten av Vintergatan kan vara mindre tät och med mindre mörk materia än vad forskare trodde.

“Detta sätter detta resultat i spänning med andra mätningar”, säger Necib. “Det är något misstänkt på gång någonstans, och det är verkligen spännande att ta reda på var det är, att verkligen ha en sammanhängande bild av Vintergatan.”

Teamet rapporterar sina resultat denna månad i Månatliga meddelanden från Royal Society Journal. Medförfattare till MIT-studien, inklusive Necib, är förstaförfattaren Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers och Anna Frebel.

“Ingenstans”

Liksom de flesta galaxer i universum snurrar Vintergatan som vatten i en bubbelpool, och dess rotation drivs delvis av all materia som virvlar runt i dess skiva. På 1970-talet var astronomen Vera Rubin den första att observera att galaxer snurrar på sätt som inte kan drivas av enbart synlig materia. Hon och hennes kollegor mätte stjärnornas cirkulära hastighet och fann att de resulterande rotationskurvorna var förvånansvärt plana. Det vill säga, stjärnornas hastighet förblev densamma i hela galaxen, snarare än att minska med avståndet. De drog slutsatsen att någon annan typ av osynlig materia måste verka på de avlägsna stjärnorna för att ge dem en extra boost.

Rubins arbete med rotationskurvor var några av de första solida bevisen för existensen av mörk materia, en osynlig och okänd enhet som uppskattades väga mer än alla stjärnor och annan synlig materia i universum.

Astronomer har sedan dess observerat liknande platta kurvor i avlägsna galaxer, vilket ytterligare stöder närvaron av mörk materia. Först nyligen har astronomer försökt spåra rotationskurvan i vår egen galax med stjärnor.

“Det visar sig att det är svårare att mäta en rotationskurva när du sitter inne i en galax”, noterar Ou.

Nya insikter från Gaia Data

Under 2019 arbetade Anna-Christina Eilers, en biträdande professor i fysik vid MIT, med att rita ut Vintergatans rotationskurva, med hjälp av en tidigare grupp data som släppts av Gaia-satelliten. Det datasläppet inkluderade stjärnor så långt bort som 25 kiloparsek, eller cirka 81 000 ljusår, från galaxens centrum.

Baserat på dessa data observerade Eilers att Vintergatans rotationskurva verkade vara platt, även om den hade en liten dipp, liknande den för andra avlägsna galaxer, och genom slutsatsen hade galaxen förmodligen en hög densitet av mörk materia vid sin kärna. kärna. Men denna uppfattning har nu förändrats, när teleskopet släppte en ny sats data, denna gång inklusive stjärnor så långt bort som 30 kiloparsek, nästan 100 000 ljusår från galaxens kärna.

“På dessa avstånd är vi precis vid kanten av galaxen, där stjärnorna börjar dö ut”, säger Frebel. “Ingen hade utforskat hur materia rör sig i den här yttre galaxen, där vi verkligen befinner oss i ingenting.”

märklig spänning

Frebel, Necib, Ou och Eilers drog fördel av den nya Gaia-datan och försökte utöka Eilers initiala rotationskurva. För att förfina sin analys kompletterade teamet Gaia-data med mätningar från APOGEE, Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, som mäter extremt detaljerade egenskaper hos mer än 700 000 Vintergatans stjärnor, såsom deras ljusstyrka, temperatur och elementsammansättning. .

“Vi matar in all denna information i en algoritm för att försöka lära oss samband som sedan kan ge oss bättre uppskattningar av en stjärnas avstånd”, förklarar Ou. “Så här kan vi avancera till ytterligare distanser.”

Teamet fastställde exakta avstånd för mer än 33 000 stjärnor och använde dessa mätningar för att generera en tredimensionell karta över stjärnor spridda över Vintergatan över cirka 30 kiloparsecs. De inkorporerade sedan denna karta i en cirkulär hastighetsmodell, för att simulera hur snabbt en stjärna måste färdas, givet fördelningen av alla andra stjärnor i galaxen. De plottade sedan hastigheten och avståndet för varje stjärna på en graf för att producera en uppdaterad rotationskurva för Vintergatan.

“Det var där konstigheterna kom in”, säger Necib.

Istället för att se en liten minskning som tidigare rotationskurvor, observerade teamet att den nya kurvan sjönk kraftigare än förväntat i den yttre änden. Denna oväntade avmattning tyder på att medan stjärnor kan färdas med samma hastighet upp till ett visst avstånd, saktar de plötsligt ner på längre avstånd. Stjärnorna i utkanten ser ut att resa långsammare än väntat.

Utforska galaktiska mysterier

När teamet översatte denna rotationskurva till mängden mörk materia som måste finnas i hela galaxen, upptäckte de att Vintergatans kärna kan innehålla mindre mörk materia än vad som tidigare uppskattats.

“Detta resultat står i kontrast till andra mätningar”, säger Necib. “Att verkligen förstå detta resultat kommer att få djupa återverkningar. Detta kan leda till fler dolda massor strax bortom kanten av den galaktiska skivan, eller till en omprövning av jämviktstillståndet i vår galax. “Vi försöker hitta dessa svar i framtida arbete, med hjälp av högupplösta simuleringar av galaxer som liknar Vintergatan.”

Referens: “Vintergatans profil av mörk materia härledd från dess cirkulära hastighetskurva” av Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers, Lina Necib och Anna Frebel, 8 januari 2024, Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stae034

Denna forskning finansierades delvis av National Science Foundation.