Когда маленькая галактика отклоняется слишком близко к Млечному Пути, гравитация от нашей большей галактики разматывает ее. Газ и звезды отрываются от проходящей галактики, когда она падает внутрь к своей гибели, создавая потоки материала, которые растягиваются между галактической парой. Эти потоки продолжают отрывать звезды, пока падающий объект не будет полностью израсходован. После того, как слияние закончится, некоторые из единственных оставшихся признаков пожираемого объекта - это звездные потоки, протекающие через Млечный Путь, небольшой образец звезд из галактики, давно исчезнувшей.
Помимо записи прошлого, один из этих потоков может предоставить первое прямое свидетельство для небольших скоплений темной материи - неуловимого материала, который, как полагают, составляет 85 процентов всей материи во вселенной. Недавний анализ следа звезд показывает, что он взаимодействовал с плотным объектом в последние несколько сотен миллионов лет. После исключения наиболее вероятных подозреваемых, исследователи определили, что относительно недавно сделанный разрыв в потоке мог быть вызван небольшим скоплением темной материи. Если это подтвердится, вихри этого звездного потока могут помочь ученым разобраться в конкурирующих теориях о темной материи и, возможно, даже приблизиться к характеристикам таинственного материала.
Звездный поток, известный как GD-1, представляет собой тонкий поток материала, скрытый внутри галактического гало, рыхлый набор звезд и газов, окружающих диск Млечного Пути. Используя данные, выпущенные в апреле прошлого года с космического телескопа Gaia Европейского космического агентства, который находится в процессе составления самой подробной карты звезд Млечного Пути, когда-либо сделанных, астрономы смогли использовать точные позиционные данные, чтобы восстановить движение звезд в GD -1. Вырванный из облака материи, этот поток является последним остатком объекта, который, вероятно, был поглощен нашей галактикой за последние 300 миллионов лет, что является звеном в астрономических временных масштабах.
Художнический рендеринг космической обсерватории ESA "Гайя" - астрометрического телескопа, предназначенного для измерения положения и движения звезд. (ЕКА / НАСА) Гайя обнаружил два небольших излома в потоке, первое однозначное наблюдение за промежутками в звездном потоке, а также плотный набор звезд, называемый шпорой. Вместе эти особенности предполагают, что маленький, но массивный объект встряхнул материал потока.
«Я думаю, что это первое прямое динамическое свидетельство мелкомасштабной [структуры] темной материи», - говорит Адриан Прайс-Уилан, астроном из Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Работая с Аной Бонакой из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, Прайс-Уилан исследовал обнаруженные структуры в GD-1, чтобы определить их источник, и представил результаты в начале этого года на зимнем собрании Американского астрономического общества.
**********
Приблизительно в 33 000 световых лет (10 килопарсек) GD-1 является самым длинным звездным потоком в галактическом гало. В то время как Прайс-Уилан и его коллеги могли использовать модели, чтобы показать, что один из пробелов образовался во время генерации потока, другой пробел оставался загадкой. Однако, наряду с загадкой, Гайя также нашел решение: шпора.
Когда объект проходит мимо или через звездный поток, он разрушает звезды. Прайс-Уилан сравнивает разрушение с сильной струей воздуха, обдувающей поток воды. Вода - или звезды - устремляются наружу вдоль пути разрушителя, создавая разрыв. Некоторые движутся так быстро, что покидают поток и летят в космос, потерянные навсегда. Другие вытягиваются обратно в поток, образуя вихревые особенности, которые астрономы называют шпорами. По прошествии нескольких сотен миллионов лет большинство ответвлений сливается обратно в поток, и остается только разрыв, хотя некоторые могут быть более долгоживущими.
Когда дело доходит до обнаружения структур в звездных потоках, Прайс-Уилан называет GD-1 «потоком Златовласка», потому что он находится в правильном месте. GD-1 находится внутри звезд Млечного Пути, но движется в противоположном направлении, облегчая астрономам выделение звезд в потоке из окружающих объектов. «В любом месте оно движется не так, как большинство других звезд в этой части неба», - говорит Прайс-Уилан.
Исследователи смоделировали, какой тип объектов мог быть ответственен за относительно новорожденную шпору, обнаруженную в GD-1. Они определили, что ответственный объект должен весить где-то от 1 до 100 миллионов масс Солнца. Протяженность всего около 65 световых лет (20 шт.) В длину, объект был бы невероятно плотным. Взаимодействие между потоком и плотным объектом, вероятно, произошло бы в течение последних нескольких сотен миллионов лет из 13, 8 миллиардов лет существования Вселенной.
Схема нашей галактики, Млечного Пути. (НАСА / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Темная материя - не единственный объект, который мог нарушить звездный поток. Шаровое скопление или карликовая галактика, нападающие поблизости, также могли бы создать разрыв и отрог. Прайс-Уилан и его коллеги посмотрели на все известные такие объекты и вычислили их орбиты, обнаружив, что ни один из них не приблизился к GD-1 за последний миллиард лет, чтобы встряхнуть вещи. Случайное столкновение с изначальной черной дырой могло бы привести к полету звезд потока, но это было бы крайне редким событием.
Согласно моделированию темной материи, которое учитывает небольшие структуры, множество семян темной материи разбросано по галактикам, таким как Млечный Путь. Ожидается, что такой поток, как GD-1, столкнется по крайней мере с одним таким семенем за последние 8 миллиардов лет, что сделает темную материю гораздо более вероятным возмущающим фактором в зависимости от частоты столкновений, чем любой другой объект.
**********
Темная материя составляет основную массу во вселенной, но она никогда не наблюдалась напрямую. Двумя ведущими теориями его существования являются модель теплой темной материи и модель холодной темной материи Лямбды (ΛCDM), которая является моделью, предпочитаемой большинством ученых. При ΛCDM темная материя образует комки, которые могут быть такими же большими, как галактика, или такими же маленькими, как сода. Модели теплой темной материи предполагают, что материал имеет менее массивные частицы и не имеет структур размером с банку, как предполагает модель ΛCDM. Поиск свидетельств для небольших структур темной материи может помочь отсеять определенные модели и начать сужать некоторые характеристики дразнящих вещей.
«Потоки могут быть единственным каналом, который мы могли бы [использовать] для изучения самой низкой массы того, что делает темная материя», - говорит Прайс-Уилан. «Если мы хотим иметь возможность подтверждать, отвергать или исключать различные теории темной материи, нам действительно необходимо знать, что происходит на [низшем уровне]».
Данные Гайи помогли идентифицировать звезды отрога, но они недостаточно подробны для сравнения различий в скорости между ними и звездами в потоке, что может помочь подтвердить, что темная материя взволновала структуру. Прайс-Уилан и его коллеги хотят использовать космический телескоп Хаббла НАСА для дальнейшего изучения движения слабых звезд в GD-1. Хотя Гайя открыла дверь для широкомасштабного изучения движения звезд через Млечный путь, Прайс-Уилан говорит, что она не может конкурировать с HST, когда речь идет об очень слабых звездах. «Вы можете сверлить намного глубже, когда у вас есть специальный телескоп, такой как Хаббл», - говорит он.
Различия в том, как звезды потока и движения шпоры могут помочь астрономам определить, сколько энергии несет возмущающий объект, а также позволить исследователям рассчитать его орбиту. Эти фрагменты информации могут быть использованы для отслеживания разрушительного скопления темной материи и изучения ее ближайшего окружения.
В дополнение к более глубокому изучению GD-1, астрономы планируют применить те же самые методы, которые позволили использовать данные Gaia, к некоторым из более чем 40 других потоков, окружающих Млечный путь. Обнаружение шпор и щелей в других потоках и привязка их к темной материи может еще больше улучшить наше понимание того, как таинственное вещество взаимодействует с видимой галактикой.
После десятилетий размышлений над тайной темной материи, разрывы и шпоры в звездных потоках, подобных GD-1, могут, наконец, помочь раскрыть секреты вещества, которое составляет большую часть вселенной. «Это одна из самых захватывающих вещей, появившихся в Gaia», - говорит Прайс-Уилан.
