Звезды движутся медленнее на краю Млечного Пути: ядро ​​Галактики может содержать меньше темной материи, чем предполагалось ранее

Измеряя скорость звезд по всей галактике Млечный Путь, физики Массачусетского технологического института обнаружили, что звезды, расположенные дальше по галактическому диску, движутся медленнее, чем ожидалось, по сравнению со звездами, расположенными ближе к центру галактики. Результаты открывают удивительную возможность: гравитационное ядро ​​Млечного Пути может быть легче по массе и содержать меньше темной материи, чем считалось ранее.

Новые результаты основаны на анализе данных, полученных с помощью инструментов Gaia и APOGEE. Gaia — это орбитальный космический телескоп, который отслеживает точное местоположение, расстояние и движение более 1 миллиарда звезд по всей галактике Млечный Путь, а APOGEE — это наземное исследование.

Физики проанализировали измерения Гайи более чем 33 000 звезд, включая некоторые из самых дальних звезд в галактике, и определили «круговую скорость» каждой звезды, или насколько быстро звезда вращается в галактическом диске, учитывая расстояние звезды от центра галактики. .

Ученые построили график зависимости скорости каждой звезды от расстояния до нее, чтобы создать кривую вращения — стандартный график в астрономии, показывающий, насколько быстро вращается материя на заданном расстоянии от центра галактики. Форма этой кривой может дать ученым представление о том, сколько видимой и темной материи распределено по галактике.

«Что мы были действительно удивлены, так это то, что эта кривая оставалась плоской, плоской, плоской на определенном расстоянии, а затем начала снижаться», — говорит Лина Несиб, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Это означает, что внешние звезды вращаются немного медленнее, чем ожидалось, что является очень неожиданным результатом».

Команда перевела новую кривую вращения в распределение темной материи, которое могло бы объяснить замедление внешних звезд, и обнаружила, что полученная карта дает более легкое ядро ​​галактики, чем ожидалось. То есть центр Млечного Пути может быть менее плотным и содержать меньше темной материи, чем думали ученые.

«Это ставит этот результат в противоречие с другими измерениями», — говорит Несиб. «Где-то происходит что-то подозрительное, и очень интересно выяснить, где это находится, чтобы иметь целостную картину Млечного Пути».

Команда сообщает о своих результатах в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества. Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте, включая Несиба, являются первый автор Сяовэй Оу, Анна-Кристина Эйлерс и Анна Фребель.

«В небытии»

Как и большинство галактик во Вселенной, Млечный Путь вращается, как вода в водовороте, и его вращение частично обусловлено всей материей, которая циркулирует внутри его диска. В 1970-х годах астроном Вера Рубин первой заметила, что галактики вращаются способами, которые не могут быть обусловлены исключительно видимой материей.

Она и ее коллеги измерили круговую скорость звезд и обнаружили, что полученные кривые вращения оказались на удивление плоскими. То есть скорость звезд оставалась одинаковой по всей галактике, а не уменьшалась с расстоянием. Они пришли к выводу, что на далекие звезды должен воздействовать какой-то другой тип невидимой материи, придавая им дополнительный толчок.

Работа Рубина по кривым вращения была одним из первых убедительных доказательств существования темной материи — невидимой, неизвестной сущности, которая, по оценкам, перевешивает все звезды и другую видимую материю во Вселенной.

С тех пор астрономы наблюдали подобные плоские кривые в далеких галактиках, что еще раз подтверждает наличие темной материи. Лишь недавно астрономы попытались нанести на карту кривую вращения нашей галактики с помощью звезд.

«Оказывается, кривую вращения труднее измерить, когда вы находитесь внутри галактики», — отмечает Оу.

В 2019 году Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, работала над составлением диаграммы кривой вращения Млечного Пути, используя более раннюю порцию данных, опубликованную спутником Gaia. В этот выпуск данных вошли звезды, находящиеся на расстоянии 25 килопарсеков, или около 81 000 световых лет, от центра галактики.

Основываясь на этих данных, Эйлерс заметил, что кривая вращения Млечного Пути выглядит плоской, хотя и с небольшим снижением, как и у других далеких галактик, и, как следствие, галактика, вероятно, несет в своем ядре высокую плотность темной материи. Но теперь эта точка зрения изменилась, поскольку телескоп опубликовал новую порцию данных, на этот раз включающую звезды, находящиеся на расстоянии до 30 килопарсеков — почти 100 000 световых лет от ядра галактики.

«На таких расстояниях мы находимся прямо на краю галактики, где звезды начинают тускнеть», — говорит Фребель. «Никто не исследовал, как движется материя во внешней галактике, где мы на самом деле находимся в небытии».

Странное напряжение

Фребель, Несиб, Оу и Эйлерс ухватились за новые данные Гайи, стремясь расширить первоначальную кривую вращения Эйлерса. Чтобы уточнить свой анализ, команда дополнила данные Гайи измерениями APOGEE — эксперимента по галактической эволюции обсерватории Апач-Пойнт, который измеряет чрезвычайно подробные свойства более чем 700 000 звезд Млечного Пути, такие как их яркость, температура и элементный состав.

«Мы вводим всю эту информацию в алгоритм, чтобы попытаться изучить связи, которые затем смогут дать нам более точную оценку расстояния до звезды», — объясняет Оу. «Вот как мы можем перемещаться на большие расстояния».

Команда установила точные расстояния для более чем 33 000 звезд и использовала эти измерения для создания трехмерной карты звезд, разбросанных по Млечному Пути с точностью до 30 килопарсек. Затем они включили эту карту в модель круговой скорости, чтобы смоделировать, насколько быстро должна двигаться любая звезда, учитывая распределение всех остальных звезд в галактике. Затем они нанесли на карту скорость и расстояние каждой звезды, чтобы получить обновленную кривую вращения Млечного Пути.

«Вот тут-то и возникла странность», — говорит Несиб.

Вместо небольшого снижения, как на предыдущих кривых вращения, команда заметила, что новая кривая на внешнем конце опустилась сильнее, чем ожидалось. Этот неожиданный спад предполагает, что, хотя звезды могут двигаться с одинаковой скоростью на определенное расстояние, они внезапно замедляются на самых дальних расстояниях. Кажется, что звезды на окраинах движутся медленнее, чем ожидалось.

Когда команда перевела эту кривую вращения на количество темной материи, которая должна существовать во всей галактике, они обнаружили, что ядро ​​Млечного Пути может содержать меньше темной материи, чем предполагалось ранее.

«Этот результат противоречит другим измерениям», — говорит Несиб. «Действенное понимание этого результата будет иметь глубокие последствия. Это может привести к появлению большего количества скрытых масс сразу за краем галактического диска или к пересмотру состояния равновесия нашей галактики. Мы стремимся найти эти ответы в предстоящих работах, используя высокие моделирование галактик, подобных Млечному Пути, с разрешением».

Информация от: Массачусетским технологическим институтом.