Млечный Путь — древний и массивный объект, состоящий из сотен миллиардов звезд, некоторые из которых относятся к ранним дням существования Вселенной. За свою долгую жизнь она выросла до таких эпических размеров за счет слияний с другими, меньшими галактиками. Эти слияния подчеркивают историю нашей галактики, и ее история записана в потоках звезд, оставшихся после слияния.
И это происходит до сих пор.
Млечный Путь в настоящее время переваривает меньшие галактики, подошедшие слишком близко. Большие и Малые Магеллановы Облака ощущают на себе воздействие мощной гравитации Млечного Пути, искажающей их и перекачивающей поток газа и звезд из них в нашу галактику. То же самое происходит с карликовой сфероидальной галактикой Стрельца и шаровыми скоплениями, такими как Омега Центавра.
В Млечном Пути существует длинный список этих звездных потоков, хотя первоначальные галактики, породившие их, давно исчезли, поглощенные Млечным Путем. Но ручьи по-прежнему рассказывают историю древних слияний и поглощений. Они содержат кинематические и химические подсказки о галактиках и скоплениях, в которых они возникли.
По мере того, как астрономы получают более совершенные инструменты для поиска и изучения этих потоков, они понимают, что потоки могут рассказать им больше, чем просто историю слияний. Они похожи на нитки жемчуга, а их форма и другие свойства показывают, как гравитация сформировала их. Но они также раскрывают еще кое-что важное: как темная материя сформировала их.
Поскольку темная материя настолько загадочна, любой шанс узнать о ней что-то является приоритетом. Исследуя звездные потоки, исследователи обнаруживают в них признаки возмущений, в том числе отсутствующих членов, которые не объясняются массой Млечного Пути. Они подозревают, что причиной является темная материя.
«Если мы найдем жемчужное ожерелье с несколькими разбросанными рядом жемчужинами, мы можем сделать вывод, что что-то могло произойти и порвать нить».
Вскоре у астрономов появится чрезвычайно мощный инструмент для изучения этих потоков и роли темной материи в их возмущении: Обсерватория Веры Рубин (VRO).
У астрономов есть разные методы изучения темной материи. Одним из них является слабое гравитационное линзирование, которое отображает темную материю в крупном масштабе скоплений галактик. Но звездные потоки находятся на противоположном конце шкалы. Нанося на карту их, а также их неровности и возмущения, астрономы могут изучать темную материю в гораздо меньших масштабах.
Обсерватория Рубин завершит исследование наследия пространства и времени (LSST) через десять лет. Помимо задач астрономии во временной области, LSST также будет изучать темную материю. Научное сотрудничество LSST в области темной энергии нацелено на изучение темной материи и будет использовать возможности Рубина для продвижения исследований темной энергии и темной материи, как ничто до этого. «LSST пойдет гораздо дальше, чем любой из его предшественников, в своей способности измерять рост структуры и обеспечит строгую проверку теорий модифицированной гравитации», — поясняется на их веб-сайте.
По мере того, как мы приближаемся к запланированному первому свету обсерватории в январе 2025 года, растущее волнение становится ощутимым.
«Я очень рада возможности использовать звездные потоки для изучения темной материи», — сказала Нора Шипп, научный сотрудник Университета Карнеги-Меллона и соучредитель Рабочей группы по темной материи в Обсерватории Рубина/Научном сотрудничестве в области темной энергии LSST. «С помощью обсерватории Рубина мы сможем использовать звездные потоки, чтобы выяснить, как темная материя распределяется в нашей галактике, от самых крупных до очень мелких масштабов».
У астрономов есть достаточно доказательств того, что Млечный Путь окутывает ореол темной материи. В других галактиках то же самое. Эти ореолы темной материи выходят за пределы видимого диска галактики и считаются основными единицами крупномасштабной структуры Вселенной. Эти гало могут также содержать субореолы — сгустки темной материи, связанные гравитацией.
По мнению астрономов, эти сгустки оставляют свои следы в звездных потоках. Сгустки темной материи создают изломы и разрывы в потоках. VRO имеет право видеть эти нарушения в небольших масштабах и в течение десяти лет. «Наблюдая за звездными потоками, мы сможем проводить косвенные измерения сгустков темной материи Млечного Пути до масс, меньших, чем когда-либо прежде, что дает нам действительно хорошие ограничения на свойства частиц темной материи», — сказал Шипп.
Модель лямбда-холодной темной материи (Lambda CDM) является стандартной моделью космологии Большого взрыва. Одно из ключевых предсказаний Lambda CDM гласит, что должно существовать множество субгалактических субструктур темной материи. Астрономы хотят проверить это предсказание, наблюдая за влиянием этих структур на звездные потоки. VRO поможет им в этом, а также поможет найти их больше и собрать больший набор данных.
Звездные потоки трудно обнаружить. Их выдает кинематика, но иногда в потоках бывает всего несколько десятков звезд. Это скрывает их среди множества звезд Млечного Пути. Но VRO это изменит.
VRO обнаружит потоки на гораздо больших расстояниях. На окраинах Млечного Пути потоки взаимодействовали с меньшим количеством материи, что делает их сильными кандидатами для изучения эффекта темной материи в отдельности.
«Звездные потоки подобны ниткам жемчуга, чьи звезды прослеживают путь орбиты системы и имеют общую историю», — сказала Жаклин Дженсен, кандидат наук в Университете Виктории. Дженсен планирует использовать данные Рубина/LSST для своего исследования прародителей звездных потоков и их роли в формировании Млечного Пути. «Используя свойства этих звезд, мы можем определить информацию об их происхождении и о том, какие взаимодействия мог испытывать поток. Если мы найдем жемчужное ожерелье с несколькими разбросанными рядом жемчужинами, мы можем сделать вывод, что что-то могло сломаться и порвать нить».
Мощная цифровая камера VRO и ее система фильтров делают это возможным. В частности, его ультрафиолетовый фильтр поможет сделать больше потоков видимыми. Астрономы могут отличить звездные потоки от всех других звезд, исследуя сине-ультрафиолетовый свет в конце видимого спектра. У них будут тысячи и тысячи изображений для работы.
Фактически, VRO высвободит поток астрономических данных, с которыми ученые и учреждения готовятся справиться. ИИ и машинное обучение будут играть основополагающую роль в управлении всеми этими данными, что должно способствовать поиску еще более звездных потоков.
«В настоящее время выявление потенциальных потоков на глаз — трудоемкий процесс — большой объем данных Рубина предоставляет прекрасную возможность подумать о новых, более автоматизированных способах идентификации потоков».
Астрономы все еще находят новые звездные потоки. Ранее в этом месяце статья в «Астрофизическом журнале» представила открытие еще одного. Исследователи нашли его в третьем выпуске данных Гайи. Вероятно, это связано со слиянием карликовой галактики Секвойя.
Кажется несомненным, что астрономы будут продолжать находить новые звездные потоки. Их ценность как индикаторов истории Млечного Пути значительна. Но если ученые смогут использовать их, чтобы понять распределение темной материи в небольших масштабах, они получат больше, чем рассчитывали.
