Хаббл НАСА отслеживает темную материю в карликовой галактике, используя движение звезд

Команда астрономов проанализировала наблюдения космического телескопа «Хаббл» НАСА в течение 18 лет для измерения динамических движений звезд в карликовой галактике Дракон. Обширный базовый массив и архив данных телескопа позволили команде построить 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 взято из Цифрового обзора неба (DSS). Он представляет более широкий взгляд на регион. Два правых изображения — снимки Хаббла. Автор: NASA, ESA, Eduardo Vitral, Roeland van der Marel, and Sangmo Tony Sohn (STScI), DSS; Image processing: Joseph DePasquale (STScI)

Качества и поведение темной материи, невидимого «клея» Вселенной, продолжают быть окутаны тайной. Хотя галактики в основном состоят из темной материи, понимание того, как она распределена внутри галактики, дает ключ к пониманию того, что это за вещество и какое оно имеет отношение к эволюции галактики.

Хотя компьютерное моделирование предполагает, что темная материя должна накапливаться в центре галактики, называемом каспом плотности, многие предыдущие телескопические наблюдения показали, что вместо этого она более равномерно распределена по всей галактике. Причина этого противоречия между моделью и наблюдением продолжает озадачивать астрономов, усиливая тайну темной материи.

Команда астрономов обратилась к космическому телескопу «Хаббл» НАСА, чтобы попытаться прояснить этот спор, измерив динамические движения звезд в карликовой галактике Дракона, системе, расположенной примерно в 250 000 световых годах от Земли. Используя наблюдения, продолжавшиеся 18 лет, им удалось построить наиболее точное трехмерное понимание движения звезд внутри крошечной галактики. Для этого потребовалось изучить почти два десятилетия архивных наблюдений Хаббла за галактикой Дракона.

«Наши модели, как правило, больше согласуются со структурой, напоминающей выступ, которая соответствует космологическим моделям», — сказал Эдуардо Витрал из Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе и ведущий автор исследования. «Хотя мы не можем с уверенностью сказать, что все галактики содержат распределение темной материи, подобное каспам, очень интересно иметь такие хорошо измеренные данные, которые превосходят все, что мы имели раньше».

График движения звезд

Чтобы узнать о темной материи внутри галактики, ученые могут посмотреть на ее звезды и их движения, в которых доминирует притяжение темной материи. Распространенным подходом к измерению скорости объектов, движущихся в космосе, является эффект Доплера — наблюдаемое изменение длины волны света, если звезда приближается или удаляется от Земли. Хотя эта лучевая скорость может дать ценную информацию, из этого одномерного источника информации можно почерпнуть лишь очень многое.

Помимо перемещения ближе или дальше от нас, звезды также движутся по небу, измеряя их собственное движение. Объединив скорость по лучу зрения с собственными движениями, команда провела беспрецедентный анализ трехмерных движений звезд.

«Улучшение данных и улучшение моделирования обычно идут рука об руку», — объяснил Руланд 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, то часто могут подойти относительно простые модели. Чем больше измерений и сложности данных вы собираете, тем более сложными должны быть ваши модели, чтобы действительно отразить все тонкости данные."

Научный марафон (не спринт)

Поскольку известно, что карликовые галактики имеют более высокую долю содержания темной материи, чем другие типы галактик, команда сосредоточилась на карликовой галактике Дракона, которая является относительно небольшим и сфероидальным ближайшим спутником галактики Млечный Путь.

«При измерении собственных движений вы отмечаете положение звезды в одну эпоху, а затем много лет спустя измеряете положение той же самой звезды. Вы измеряете смещение, чтобы определить, насколько она сдвинулась», — объяснил Сангмо Тони Зон из STScI, еще одного сотрудника. -автор статьи и главный исследователь последней программы наблюдений. «Для такого рода наблюдений, чем дольше вы ждете, тем лучше вы сможете измерить смещение звезд».

Команда проанализировала ряд эпох, охватывающих период с 2004 по 2022 год, — обширный базовый уровень, который мог предложить только «Хаббл» благодаря сочетанию его четкого стабильного видения и рекордного времени работы. Богатый архив данных телескопа помог снизить уровень неопределенности в измерении собственных движений звезд. Точность эквивалентна измерению годового смещения, немного меньшего, чем ширина мяча для гольфа, видимого на Луне с Земли.

Имея трехмерные данные, команда сократила количество предположений, применявшихся в предыдущих исследованиях, и учла характеристики, характерные для галактики, такие как ее вращение, распределение ее звезд и темной материи, в своих собственных усилиях по моделированию.

Захватывающее будущее

Изучение темной материи требует наблюдения за различными галактическими средами, а также влечет за собой сотрудничество в рамках различных миссий космических телескопов. Например, будущий римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс поможет раскрыть новые детали свойств темной материи среди различных галактик благодаря его способности исследовать большие участки неба.

«Такое исследование представляет собой долгосрочную инвестицию и требует большого терпения», — размышляет Витрал. «Мы можем заниматься этой наукой благодаря планированию, которое проводилось на протяжении многих лет для фактического сбора этих данных. Собранные нами идеи являются результатом работы более крупной группы исследователей, которая работала над этими вещами на протяжении многих лет. годы."

Они опубликованы в Астрофизическом журнале.

Больше информации: Eduardo Vitral et al, HSTPROMO Internal Proper-motion Kinematics of Dwarf Spheroidal Galaxies. I. Velocity Anisotropy and Dark Matter Cusp Slope of Draco, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad571c

Источник: NASA's Goddard Space Flight Center