Hubble розкриває «невидимий клей» Всесвіту

Довговічність космічного телескопа Хаббла є перевагою для отримання ясності щодо невидимого клею Всесвіту. Коли теорія та спостереження схиляються до різних результатів, як астрономи можуть визначити, який із них більш здійсненний?

Підвищення довіри до однієї теорії порівняно з іншою часто вимагає побудови багатшого набору даних для вдосконалення поточних моделей і зниження невизначеності. Команда вчених зробила саме це, щоб допомогти пом’якшити туманність давньої дискусії: проблема куспид-ядро. Аналізуючи дані космічного телескопа NASA Hubble, зібрані протягом майже двох десятиліть, астрономи намітили рух зірок у межах галактики та виявили ймовірне скупчення темної матерії в її центрі.

Космічний телескоп Hubble відслідковує темну матерію в карликовій галактиці за допомогою руху зірок

Якості та поведінка темної матерії, невидимого «клею» Всесвіту, як і раніше оповиті таємницею. Хоча галактики здебільшого складаються з темної матерії, розуміння того, як вона розподіляється всередині галактики, дає підказки до того, що це за речовина та яке її значення для еволюції галактики.

У той час як комп’ютерне моделювання показує, що темна матерія повинна накопичуватися в центрі галактики, що називається куспом щільності, багато попередніх телескопічних спостережень показали, що натомість вона більш рівномірно розподілена по всій галактиці. Причина цієї напруги між моделлю та спостереженнями продовжує спантеличувати астрономів, підкріплюючи таємницю темної матерії.

Використання телескопа Хаббла

Команда астрономів звернулася до космічного телескопа Хаббла NASA, щоб спробувати прояснити цю дискусію, вимірявши динамічні рухи зірок у карликовій галактиці Драко , системі, розташованій приблизно за 250 000 світлових років від Землі. Використовуючи спостереження, які тривали 18 років, їм вдалося побудувати найточніше тривимірне розуміння рухів зірок у мініатюрній галактиці. Для цього знадобилося переглянути майже два десятиліття архівних спостережень Хаббла за галактикою Драко.

«Наші моделі, як правило, більше узгоджуються зі структурою, подібною до вершини, яка узгоджується з космологічними моделями», — сказав Едуардо Вітрал з Наукового інституту космічного телескопа (STScI) у Балтіморі та провідний автор дослідження. «Хоча ми не можемо однозначно сказати, що всі галактики містять подібний до вершини розподіл темної матерії, це захоплююче мати такі добре виміряні дані, які перевершують будь-які раніше».

Передові методи руху зірок

Щоб дізнатися про темну матерію в галактиці, вчені можуть поглянути на її зірки та їхні рухи, в яких домінує тяжіння темної матерії. Поширеним підходом до вимірювання швидкості об’єктів, що рухаються в космосі, є ефект Доплера – спостережувана зміна довжини хвилі світла, коли зірка наближається або віддаляється від Землі. Хоча ця швидкість прямої видимості може дати цінну інформацію, з цього одновимірного джерела інформації можна почерпнути дуже багато.

Окрім того, що зірки наближаються чи віддаляються від нас, зірки також рухаються по небу, вимірюючи їх власний рух. Поєднавши швидкість прямої видимості з правильними рухами, команда створила безпрецедентний аналіз 3D-рухів зірок.

«Покращення даних і вдосконалення моделювання зазвичай йдуть рука об руку», — пояснив Роланд ван дер Марель з STScI, співавтор статті, який ініціював дослідження більше 10 років тому. «Якщо у вас немає дуже складних даних або є лише одновимірні дані, то відносно прості моделі часто підходять. Чим більше розмірів і складності даних ви збираєте, тим складнішими повинні бути ваші моделі, щоб справді охопити всі тонкощі даних».

Науковий марафон

Оскільки відомо, що карликові галактики мають більший вміст темної матерії, ніж інші типи галактик, команда зосередилася на карликовій галактиці Драко, яка є відносно невеликим сфероїдальним сусіднім супутником галактики Чумацький Шлях.

«Вимірюючи власні рухи, ви відмічаєте положення зірки в одну епоху, а потім через багато років вимірюєте положення тієї самої зірки. Ви вимірюєте зміщення, щоб визначити, наскільки він перемістився», — пояснив Сангмо Тоні Сон з STScI, ще один співавтор статті та головний дослідник останньої програми спостережень. «Для такого спостереження, чим довше ви чекаєте, тим краще ви зможете виміряти переміщення зірок».

Команда проаналізувала серію епох, що охоплюють з 2004 по 2022 роки, широку базову лінію, яку міг запропонувати лише Хаббл завдяки поєднанню його чіткого стабільного зору та рекордного часу роботи. Багатий архів даних телескопа допоміг зменшити рівень невизначеності у вимірюванні власних рухів зірок. Точність еквівалентна вимірюванню річного зсуву, трохи меншого за ширину м’яча для гольфу, як видно на Місяці із Землі.

За допомогою трьох вимірів даних команда зменшила кількість припущень, застосованих у попередніх дослідженнях, і врахувала характерні для галактики характеристики, такі як її обертання, розподіл її зірок і темної матерії, у своїх власних зусиллях з моделювання.

Наслідки та майбутні дослідження

Методології та моделі, розроблені для карликової галактики Драко, можуть бути застосовані до інших галактик у майбутньому. Команда вже аналізує спостереження Хаббла за карликовою галактикою Скульптор і Малою Ведмедицею.

Вивчення темної матерії вимагає спостереження за різними галактичними середовищами, а також передбачає співпрацю між різними місіями космічних телескопів. Наприклад, майбутній Римський космічний телескоп імені Ненсі Грейс NASA допоможе виявити нові деталі властивостей темної матерії в різних галактиках завдяки його здатності досліджувати великі ділянки неба.

«Таке дослідження є довгостроковою інвестицією та потребує великого терпіння», — зазначив Вітрал. «Ми можемо займатися цією наукою завдяки всьому плануванню, яке робилося протягом багатьох років, щоб фактично зібрати ці дані. Стаття, яку ми зібрали, є результатом роботи більшої групи дослідників, які працювали над цим протягом багатьох років».

Ці результати були опубліковані 11 липня в The Astrophysical Journal.