Når en liten galakse streifer for nær Melkeveien, ruller tyngdekraften fra vår større galakse den i. Gass og stjerner blir dratt fra den forbipasserende galaksen når den faller innover mot undergangen, og skaper materialstrømmer som strekker seg mellom det galaktiske paret. Disse bekkene fortsetter å rive bort stjerner til den fallende gjenstanden har blitt fullstendig fortært. Etter at sammenslåingen er over, er noen av de eneste gjenværende tegnene på den fortærte gjenstanden stjernestrømmer som snakker gjennom Melkeveien, en liten prøve av stjerner fra en galakse som for lengst er borte.
I tillegg til å være en oversikt over fortiden, kan en av disse bekkene gi det første direkte beviset for småskala klynger av mørk materie - det unnvikende materialet som antas å utgjøre 85 prosent av all materie i universet. En fersk analyse av et spor av stjerner avslører at det samhandlet med et tett objekt de siste hundre millioner årene. Etter å ha utelukket de mest sannsynlige mistenkte, bestemte forskerne at det relativt nylig opplagte gapet i strømmen kan ha vært forårsaket av en liten klump med mørk materie. Hvis bekreftet, kan virkelighetene til denne stjernestrømmen hjelpe forskere å sortere gjennom de konkurrerende teoriene om mørk materie og kanskje til og med komme inn på egenskapene til det mystiske materialet.
Stjernestrømmen kjent som GD-1 er en tynn strøm av materiale gjemt inne i den galaktiske glorie, den løse samlingen av stjerner og gasser som omgir platen til Melkeveien. Ved å bruke data som ble utgitt i april sist fra Det europeiske romfartsorganets Gaia-romteleskop, som er i ferd med å sette sammen det mest detaljerte kartet over Melkeveiens stjerner noensinne er laget, kunne astronomer bruke nøyaktige posisjonsdata for å rekonstruere bevegelsen til stjernene i GD -1. Strømmen er revet fra en sky av materiale og er den siste rest av en gjenstand som sannsynligvis ble konsumert av vår galakse de siste 300 millioner årene - en øyeblink på astronomiske tidsrom.
En kunstners gjengivelse av ESAs Gaia-romobservatorium, et astrometri-teleskop designet for å måle stjerners posisjoner og bevegelser. (ESA / NASA) Gaia fant to små pauser i bekken, den første utvetydige observasjonen av hull i en stjernestrøm, samt en tett samling stjerner som ble kalt en spur. Sammen antyder disse funksjonene at en liten, men massiv gjenstand ristet opp strømmen.
"Jeg tror dette er det første direkte dynamiske beviset for småskala [strukturen] av mørk materie, " sier Adrian Price-Whelan, en astronom ved Flatiron Institute i New York. I samarbeid med Ana Bonaca fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, undersøkte Price-Whelan de nyfundne strukturene i GD-1 for å bestemme kilden og presenterte resultatene tidligere i år på vintermøtet til American Astronomical Society.
**********
Ved omtrent 33 000 lysår (10 kiloparsek) er GD-1 den lengste stjernestrømmen i den galaktiske glorie. Mens Price-Whelan og kollegene var i stand til å bruke modeller for å vise at en av hullene som ble dannet under generasjonen av strømmen, forble det andre gapet et mysterium. Men sammen med puslespillet avslørte Gaia også en løsning: sporen.
Når en gjenstand reiser forbi eller gjennom en stjernestrøm, forstyrrer den stjernene. Price-Whelan sammenligner forstyrrelsen med en sterk luftstråle som blåser over en vannstrøm. Vannet - eller stjernene - plumper utover langs forstyrrelsesbanen og skaper et gap. Noen beveger seg så raskt at de slipper unna strømmen og flyr ut i verdensrommet, tapt for alltid. Andre blir trukket tilbake i strømmen for å danne virvellignende funksjoner astronomer kaller sporer. Etter noen hundre millioner år smelter de fleste sporer tilbake i strømmen, og bare gapet gjenstår, selv om noen kan være lengre levende.
Når det gjelder å oppdage strukturer i stjernestrømmer, kaller Price-Whelan GD-1 "Goldilocks-strømmen" fordi den er på rett sted. GD-1 befinner seg i stjernene på Melkeveien, men beveger seg i motsatt retning, noe som gjør det lettere for astronomer å plukke ut stjernene i strømmen fra gjenstandene rundt. "På et gitt sted beveger det seg annerledes enn måten de fleste andre stjerner i den delen av himmelen beveger seg på, " sier Price-Whelan.
Forskerne modellerte hvilken type objekter som kan være ansvarlig for den relativt nyfødte sporen som ble oppdaget i GD-1. De bestemte at den ansvarlige gjenstanden måtte veie inn med en masse et sted mellom 1 og 100 millioner ganger solens masse. Objektet strekker seg bare rundt 65 lysår (20 stk) og ville vært utrolig tett. Samspillet mellom strømmen og det tette objektet ville sannsynligvis skjedd i løpet av de siste hundre millioner årene ut av universumets 13, 8 milliarder år lange levetid.
Et diagram av galaksen vår, Melkeveien. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Mørk materie er ikke det eneste objektet som kunne ha forstyrret stjernestrømmen. En kuleklynge eller dverggalakse som swooper i nærheten, kunne også ha skapt spalten og sporen. Price-Whelan og hans kolleger vendte blikket mot alle kjente slike gjenstander og beregnet banene sine, og fant ut at ingen kom nær nok GD-1 de siste milliard årene til å riste opp ting. Et tilfeldig møte med et urbant svart hull kunne ha sendt strømmenes stjerner flyvende, men det ville vært en ekstremt sjelden hendelse.
I følge simuleringer av mørk materie som gir rom for små strukturer, blir mange mørkefrø spredt gjennom galakser som Melkeveien. En strøm som GD-1 forventes å møte minst et slikt frø i løpet av de siste 8 milliarder årene, noe som gjør mørk materie til en langt mer sannsynlig perturber basert på møtefrekvenser enn noen annen gjenstand.
**********
Mørk materie utgjør hoveddelen av massen i universet, men den har aldri blitt direkte observert. De to ledende teoriene for sin eksistens er den varme mørke materie-modellen og Lambda kald mørk materie-modell (ΛCDM), som er modellen som foretrekkes av de fleste forskere. Under ΛCDM danner mørk materie klumper som kan være så store som en galakse eller så små som en brus. Varme mørke materie-modeller antyder at materialet har mindre massive partikler og mangler de strukturer som kan størrelse størrelse som ΛCDM-modellen antyder. Å finne bevis for småskala strukturer av mørk materie kan hjelpe med å luke ut visse modeller og begynne å snevre inn noen av egenskapene til de pirrende tingene.
"Strømmer kan være den eneste aveny som vi [kan bruke] til å studere den laveste masseenden av hva mørk materie gjør, " sier Price-Whelan. "Hvis vi vil være i stand til å bekrefte eller avvise eller utelukke forskjellige teorier om mørk materie, må vi virkelig vite hva som skjer i [den lave] ende."
Gaias data hjalp til med å identifisere sporene til sporen, men de er ikke detaljerte nok til å sammenligne hastighetsforskjellene mellom dem og stjernene i bekken, noe som kan bidra til å bekrefte at mørk materie forstyrret strukturen. Price-Whelan og kollegene hans vil bruke NASAs Hubble-romteleskop for å studere bevegelsen til de svake stjernene i GD-1 ytterligere. Selv om Gaia har åpnet døren for en omfattende undersøkelse av bevegelsen av stjerner over Melkeveien, sier Price-Whelan at den ikke kan konkurrere med HST når det gjelder veldig svake stjerner. "Du kan bore mye dypere når du har et dedikert teleskop som Hubble, " sier han.
Forskjellene i hvordan stjernene i strømmen og sporen beveger seg, kan hjelpe astronomer med å bestemme hvor mye energi den forstyrrende gjenstanden bar, samt la forskere beregne sin bane. Disse informasjonsdelene kan brukes til å spore opp den forstyrrende klumpen i mørk materie og studere dets nærmeste miljø.
I tillegg til å gjøre en mer dyptgående studie av GD-1, planlegger astronomer å bruke de samme teknikkene som Gaias data har muliggjort på noen av de mer enn 40 andre bekker rundt Melkeveien. Å oppdage sporer og gap i andre bekker og knytte dem til mørk materie kan forbedre vår forståelse av hvordan det mystiske stoffet samhandler med den synlige galaksen.
Etter flere tiår med undring over mysteriet med mørk materie, kan hullene og sporrene i stjernestrømmer som GD-1 endelig bidra til å avsløre hemmelighetene til stoffet som utgjør det meste av universet. "Dette er noe av det mest spennende som har kommet ut av Gaia, " sier Price-Whelan.
