Призрачная лента звёзд раскрывает скрытую тёмную материю
Слабая, едва различимая лента звёзд за пределами Млечного Пути открыла астрономам новый способ картирования невидимой тёмной материи Вселенной. В течение миллиардов лет древний звёздный шар скрупулёзно распадается, теряя звезды, которые теперь образуют тусклую узкую ленту в пространстве. Эта хрупкая структура даёт исследователям необычную возможность изучать одну из крупнейших загадок космоса.
Международная группа учёных, в составе которой есть астрофизик из Северо‑Западного университета, впервые обнаружила поток звёзд такого типа за пределами Млечного Пути. Долгое время теоретики предсказывали существование подобных потоков вокруг других галактик, но их экстремальная тусклость затрудняла их обнаружение. Новая находка также предоставляет нетривиальный инструмент для изучения тёмной материи, которая остаётся одной из ключевых нерешённых проблем астрофизики.
Анализируя форму потока, исследователи воссоздали гравитационное поле галактики‑хозяина и с его помощью восстановили, как невидимая тёмная материя влияла на траектории звёзд. Эти результаты могут в перспективе помочь изучать распределение тёмной материи в различных галактиках и во Вселенной в целом. Авторы работы опубликовали результаты в рецензируемом научном журнале.
«Звёзды в потоке движутся почти по одной орбите, и эта орбита формируется гравитацией галактики», — пояснила соавтор исследования Тейтске Старкенбург из Северо‑Западного университета. «Моделируя эту гравитацию, можно оценить общую массу галактики. Мы уже примерно знаем, какую долю этой массы составляют видимые компоненты, такие как звёзды, а остальное должно быть тёмной материей».
Первый поток звёзд вне Млечного Пути
Шарообразные скопления — это плотно упакованные группы звёзд, связанных взаимной гравитацией. По мере того как одно из таких скоплений движется вокруг своей галактики‑хозяина, приливные силы галактики могут постепенно отрывать от него звезды. Эти звёзды не разбегаются в произвольных направлениях: они продолжают двигаться почти по той же орбите, образуя длинные тонкие потоки, сохраняющие информацию о гравитационных воздействиях, которым они подвергались.
В Млечном Пути астрономы обнаружили десятки потоков, образованных шарообразными скоплениями. До настоящего открытия аналогичного потока в другой галактике не наблюдалось: такие структуры обычно слишком тусклые и теряются на фоне света галактики‑хозяина. Прорыв произошёл благодаря архивным наблюдениям, сделанным космическим телескопом Хаббл, представленным соавторами работы Дэвидом Сэндом и Кэтрин Филдер из Университета Аризоны.
Во время подготовки публикации соавтор Дэвид Хендел просматривал изображения ультраразреженной галактики UGC 9050‑Dw1 и заметил слабую узкую дугу, походившую на звёздный поток. UGC 9050‑Dw1 находится примерно в удалении порядка ста миллионов световых лет от Земли. Поскольку эта галактика содержит сравнительно мало звёзд, её фон оказался необычно тёмным, что сделало тусклый поток более заметным.
Значение открытия выходит за рамки простого обнаружения потока. Исследователи впервые продемонстрировали, что поток шарообразного скопления можно использовать для изучения тёмной материи в галактике за пределами Млечного Пути. Тёмная материя составляет подавляющую часть всей материи Вселенной, однако она не излучает и не отражает свет, поэтому астрономы выявляют её существование лишь по гравитационным эффектам на видимые объекты.
После идентификации потока команда провела тысячи компьютерных моделирований. Исследователи проверяли разные комбинации свойств шарообразного скопления и возможных распределений тёмной материи, чтобы понять, какие сценарии воспроизводят наблюдаемую форму потока. Модели, наиболее точно соответствовавшие наблюдениям, дали новые оценки общей массы UGC 9050‑Dw1 и показали, как эта масса распределена по галактике. Результаты указали на значительную долю тёмной материи в UGC 9050‑Dw1, что согласуется с ожиданиями для ультраразреженных галактик.
«Наши результаты согласуются с предыдущими исследовательскими работами и тем, что они показали о тёмной материи в этой ультраразреженной галактике», — отметила Киль Холм. «Мы измеряем это новым инструментом для такого типа галактик, демонстрируя, что метод работает и за пределами нашей собственной галактики».
Потоки звёзд могут выявлять структуру тёмной материи
Хотя текущее исследование сфокусировано на одной галактике, открытие может стимулировать поиски похожих потоков вокруг самых разных галактик. При формировании более крупной выборки астрономы смогут больше узнать о поведении и распределении тёмной материи. Тонкие потоки особенно ценны тем, что небольшие концентрации тёмной материи способны менять их структуру, формируя видимые щели или скопления.
«Тонкие потоки могут развивать щели или комки, когда через них проходят малые концентрации тёмной материи», — сказал Старкенбург. «Долгое время астрономы спорят, видели ли мы уже подобные признаки в потоках внутри Млечного Пути. Если удастся подтвердить, что именно тёмная материя вызывает эти особенности, это даст нам совершенно новый способ проверять её распределение и, в конечном счёте, больше узнать о её фундаментальной природе».
Новые телескопы помогут найти ещё больше потоков
Будущие обсерватории сделают подобные структуры значительно легче обнаруживаемыми. Космические миссии и новые телескопы, рассчитанные на обзоры значительно больших участков неба, чем Хаббл, увеличат вероятность обнаружения потоков вокруг множества дополнительных галактик. По словам Старкенбург, уже существующие данные Хаббла позволили открыть тонкий поток вокруг чужой галактики, а подтверждение наземными наблюдениями добавляет оптимизма в отношении возможностей грядущих инструментов, способных охватить гораздо большие области неба.
Авторы работы выразили благодарность фондам и грантам, поддержавшим исследование, а также перечислили всех соавторов статьи: Джули Киль Холм, Сару Пирсон, Джейкоба Нибауэра, Дэвида Дж. Сэнда, Эдриана М. Прайс‑Уилан, Тейтске Старкенбург, Дэвида Хендела и Кэтрин Филдер.
Название исследования — Evidence for the First Globular Cluster Stellar Stream beyond the Milky Way.