Команда астрономов проанализировала наблюдения космического телескопа Хаббл НАСА, сделанные за 18 лет, чтобы измерить динамические движения звезд в карликовой галактике Дракон. Обширные базовые данные телескопа и архив данных позволили команде создать наиболее точную трехмерную карту движения звезд внутри системы. Эти улучшенные измерения помогают пролить «свет» на загадочные свойства и поведение темной материи, невидимого «клея» Вселенной. Левое изображение получено из Цифрового обзора неба (DSS). Это дает более полное представление о регионе. Два изображения справа — снимки Хаббла. Авторы изображений: НАСА, ЕКА, Эдуардо Витраль, Руланд ван дер Марель и Сангмо Тони Зон (STScI), DSS; Обработка изображений: Джозеф ДеПаскуале (STScI)
Свойства и поведение темной материи, невидимого «клея» Вселенной, остаются окутанными тайной. Хотя галактики в основном состоят из темной материи, понимание ее распределения внутри галактики дает ключ к пониманию того, что это за вещество и его значение в эволюции галактики.
Хотя компьютерное моделирование предполагает, что темная материя должна скапливаться в центре галактики, в так называемом узле плотности, многие предыдущие телескопические наблюдения показали, что вместо этого она более равномерно распределена по галактике. Причина этого несоответствия между моделью и наблюдениями продолжает озадачивать астрономов и усиливать тайну темной материи.
Команда астрономов обратилась к космическому телескопу «Хаббл» НАСА, чтобы разрешить этот спор, измерив динамические движения звезд в карликовой галактике Драко, системе, расположенной примерно в 250 000 световых годах от Земли. Используя наблюдения в течение 18 лет, им удалось разработать наиболее точное трехмерное понимание движения звезд в этой крошечной галактике. Для этого потребовалось прочесать почти два десятилетия архивных наблюдений Хаббла за галактикой Дракон.
«Наши модели больше соответствуют шипообразной структуре, соответствующей космологическим моделям», — сказал Эдуардо Витраль из Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе и ведущий автор исследования. «Хотя мы не можем с уверенностью сказать, что все галактики содержат шипообразное распределение темной материи, интересно иметь такие хорошо измеренные данные, которые превосходят все, что мы имели раньше».
Картирование движения звезд
Чтобы узнать больше о темной материи в галактике, ученые могут изучить ее звезды и их движения, в которых доминирует гравитационное притяжение темной материи. Распространенным подходом к измерению скорости объектов, движущихся в космосе, является эффект Доплера — наблюдаемое изменение длины волны света по мере приближения звезды к Земле или удаления от нее. Хотя такая скорость прямой видимости может дать ценную информацию, из этого одномерного источника информации можно получить лишь ограниченную информацию.
Звезды движутся не только к нам или от нас, но и по небу, измеряя их собственное движение. Объединив скорость прямой видимости с собственными движениями, команда провела беспрецедентный анализ трехмерных движений звезд.
«Улучшение данных и улучшение моделирования обычно идут рука об руку», — объяснил Роланд ван дер Марель из STScI, соавтор статьи, которая инициировала исследование более 10 лет назад. «Если у вас нет очень сложных данных или только одномерные данные, часто бывает достаточно относительно простых моделей. Чем больше размерностей и сложности данных вы собираете, тем более сложными должны быть ваши модели, чтобы по-настоящему охватить все тонкости данных».
Научный марафон (не спринт)
Поскольку известно, что карликовые галактики содержат более высокую долю темной материи, чем другие типы галактик, команда сосредоточилась на карликовой галактике Драко, относительно небольшом сферическом спутнике вблизи Млечного Пути.
«При измерении собственного движения вы отмечаете положение звезды в определенный момент времени, а затем измеряете положение той же звезды много лет спустя. Вы измеряете смещение, чтобы определить, насколько далеко она продвинулась», — объяснил Сангмо Тони Сон. от STScI, еще одного соавтора статьи и главного исследователя недавней программы наблюдений. «При таком типе наблюдения, чем дольше вы ждете, тем лучше вы сможете измерить смещение звезд».
Команда проанализировала ряд эпох, охватывающих период с 2004 по 2022 год, — всеобъемлющую основу, которую мог предоставить только «Хаббл» благодаря сочетанию четкой, стабильной видимости и рекордного времени работы. Обширный архив данных телескопа помог снизить степень неопределенности в измерении собственных движений звезд. Точность эквивалентна измерению годового смещения, составляющего немного меньше ширины мяча для гольфа, как видно на Луне с Земли.
Имея трехмерные данные, команда сократила набор предположений, использованных в предыдущих исследованиях, и учла конкретные особенности галактики, такие как ее вращение и распределение ее звезд и темной материи, в своих собственных усилиях по моделированию.
Захватывающее будущее
Методы и модели, разработанные для карликовой галактики Дракон, в будущем могут быть применены и к другим галактикам. Команда уже анализирует наблюдения Хаббла за карликовой галактикой Скульптор и карликовой галактикой Малая Медведица.
Исследования темной материи требуют наблюдения за различными галактическими средами, а также сотрудничества в различных миссиях космических телескопов. Например, будущий римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс поможет раскрыть новые подробности о свойствах темной материи в различных галактиках, поскольку он может изучать большие участки неба.
«Этот тип исследования представляет собой долгосрочную инвестицию и требует большого терпения», — сказал Витрал. «Мы можем заниматься этой наукой, потому что за эти годы мы так много запланировали, чтобы собрать эти данные. Информация, которую мы собрали, является результатом работы большой группы исследователей, которые работали над этими вещами в течение многих лет».
Они были опубликованы в Астрофизическом журнале.
Информация от: Центром космических полетов имени Годдарда НАСА.
