Když se malá galaxie zabloudí příliš blízko k Mléčné dráze, gravitace z naší větší galaxie ji navíjí. Plyn a hvězdy jsou vytrhávány z procházející galaxie, když padá dovnitř k její zkáze, čímž vytváří proudy materiálu, které se táhnou mezi galaktickým párem. Tyto proudy pokračují v odtrhávání hvězd až do úplného vyčerpání nafouknutého objektu. Po sloučení jsou některými jedinými zbývajícími znaky pohlceného objektu hvězdné proudy hady Mléčné dráhy, malý vzorek hvězd z galaxie dávno pryč.
Kromě toho, že se jedná o minulost, může jeden z těchto proudů poskytnout první přímý důkaz pro zhluky temné hmoty v malém měřítku - nepolapitelný materiál, o kterém se předpokládá, že představuje 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru. Nedávná analýza stopy hvězd odhalila, že za posledních několik set milionů let interagovala s hustým předmětem. Po vyloučení nejpravděpodobnějších podezřelých vědci zjistili, že relativně nedávno vytvořená mezera v proudu mohla být způsobena malým shlukem temné hmoty. Pokud by to bylo potvrzeno, víry tohoto hvězdného proudu by pomohly vědcům rozdělit konkurenční teorie o temné hmotě a možná dokonce přiblížit charakteristikám tajemného materiálu.
Hvězdný proud známý jako GD-1 je tenký tok materiálu zastrčený uvnitř Galaktického halou, volný soubor hvězd a plynů obklopujících disk Mléčné dráhy. S využitím dat zveřejněných loni v dubnu z kosmického dalekohledu Evropské kosmické agentury Gaia, který právě připravuje nejpodrobnější mapu hvězd Mléčné dráhy, mohli astronomové použít přesné údaje o poloze k rekonstrukci pohybu hvězd v GD. -1. Roztrhaný z cloudu materiálu je posledním zbytkem předmětu, který naše galaxie pravděpodobně spotřebovala za posledních 300 milionů let - oční linky na astronomických časových řadách.
Umělecké vykreslování vesmírné observatoře ESA Gaia, astronomického dalekohledu určeného k měření pozic a pohybů hvězd. (ESA / NASA) Gaia našla dvě malé zlomy v proudu, první jednoznačné pozorování mezer ve hvězdném proudu a hustou sbírku hvězd nazývanou ostrohu. Společně tyto rysy naznačují, že malý, ale masivní objekt otřásl materiálem proudu.
„Myslím, že se jedná o první přímý dynamický důkaz o malém měřítku temné hmoty, “ říká Adrian Price-Whelan, astronom z Flatironova institutu v New Yorku. Ve spolupráci s Ana Bonaca z Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku, Price-Whelan prozkoumal nově objevené struktury v GD-1, aby určil jejich zdroj, a představil výsledky začátkem tohoto roku na zimním setkání americké astronomické společnosti.
**********
U asi 33 000 světelných let (10 kiloparseců) je GD-1 nejdelším hvězdným proudem v galaktickém halou. Zatímco Price-Whelan a jeho kolegové byli schopni použít modely, aby ukázali, že jedna z mezer vzniklých během generování proudu, druhá mezera zůstala záhadou. Spolu s hádankou však Gaia také odhalila řešení: podnět.
Když objekt cestuje kolem nebo přes hvězdný proud, rozruší hvězdy. Price-Whelan porovnává narušení se silným proudem vzduchu foukajícím přes proud vody. Voda - nebo hvězdy - se vynoří ven podél cesty disruptoru a vytvoří mezeru. Někteří se pohybují tak rychle, že unikají proudu a odlétají do vesmíru, ztraceni navždy. Jiní jsou staženi zpět do proudu, aby vytvořili vířivé rysy, které astronomové nazývají ostruhy. Po několika stovkách milionů let se většina ostrohů sloučí zpět do proudu a zbývá jen mezera, i když některé mohou být delší.
Pokud jde o vytváření struktur ve hvězdných proudech, společnost Price-Whelan nazývá GD-1 „proudem Goldilocks“, protože je na správném místě. GD-1 je uvnitř hvězd Mléčné dráhy, ale pohybuje se v opačném směru, což astronomům usnadňuje výběr hvězd v proudu z okolních objektů. „Na jakémkoli daném místě se pohybuje odlišně od toho, jak se většina ostatních hvězd v této části oblohy pohybuje, “ říká Price-Whelan.
Vědci modelovali, jaký typ objektů by mohl být zodpovědný za relativně novorozenou ostruhu spatřenou v GD-1. Zjistili, že odpovědný objekt musí vážit s hmotností někde mezi 1 miliónem až 100 miliónů krát hmotností slunce. Roztahující se jen asi 65 světelných let (20 ks) na délku by byl objekt neuvěřitelně hustý. Interakce mezi proudem a hustým objektem by se pravděpodobně odehrála během několika posledních stovek milionů let z 13, 8 miliardileté životnosti vesmíru.
Schéma naší galaxie, Mléčná dráha. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Temná hmota není jediný objekt, který mohl narušit hvězdný proud. Globální shluk nebo trpasličí galaxie, která se vrhla poblíž, mohla také vytvořit mezeru a podnět. Price-Whelan a jeho kolegové obrátili oči ke všem známým takovým objektům a vypočítali jejich oběžné dráhy, když zjistili, že žádný z nich nebyl v posledních miliardách let dostatečně blízko k GD-1, aby otřásl věcmi. Náhodné setkání s pravěkou černou dírou mohlo poslat hvězdám potoka létání, ale byla by to mimořádně vzácná událost.
Podle simulací temné hmoty, které umožňují malé struktury, se skóre semen temné hmoty rozptýlí po galaxiích, jako je Mléčná dráha. Očekává se, že proud jako GD-1 narazí na alespoň jedno takové semeno během posledních 8 miliard let, díky čemuž je temná hmota mnohem pravděpodobnější perturber na základě míry střetu, než jakýkoli jiný objekt.
**********
Temná hmota tvoří většinu hmoty ve vesmíru, ale nikdy nebyla přímo pozorována. Dvě hlavní teorie pro jeho existenci jsou model teplé temné hmoty a model Lambda studené temné hmoty (ΛCDM), což je model preferovaný většinou vědců. Podle ΛCDM tvoří temná hmota shluky, které mohou být stejně velké jako galaxie nebo malé jako soda. Teplé modely temné hmoty naznačují, že materiál má méně masivní částice a postrádá struktury velikosti plechovek, které navrhuje model Λ CDM. Nalezení důkazů o strukturách temné hmoty v malém měřítku by mohlo pomoci odstranit určité modely a začít se zužovat na některé z charakteristik tantalizujících látek.
„Proudy by mohly být jedinou cestou, kterou bychom mohli [použít] ke studiu nejnižšího masového konce toho, co temná hmota dělá, “ říká Price-Whelan. "Pokud chceme být schopni potvrdit, odmítnout nebo vyloučit různé teorie temné hmoty, musíme opravdu vědět, co se děje na [nízkém] konci."
Data Gaie pomohla identifikovat hvězdy ostruhy, ale nejsou dostatečně podrobné, aby porovnaly rozdíly v rychlosti mezi nimi a hvězdami v proudu, což by mohlo pomoci potvrdit, že temná hmota narušila strukturu. Price-Whelan a jeho kolegové chtějí použít Hubbleův kosmický dalekohled NASA pro další studium pohybu slabých hvězd v GD-1. Přestože Gaia otevřela dveře k rozsáhlému zkoumání pohybu hvězd přes Mléčnou dráhu, Price-Whelan říká, že pokud jde o velmi slabé hvězdy, nemůže konkurovat HST. „Můžete mít mnohem hlouběji vrtání, pokud máte vyhrazený dalekohled, jako je Hubble, “ říká.
Rozdíly v tom, jak mohou hvězdy proudů a čelních pohybů pomoci astronomům určit, kolik energie nese rušivý objekt, a také umožňují vědcům vypočítat jeho oběžnou dráhu. Tyto informace lze použít k vystopování rušivé shluky temné hmoty a ke studiu jejího bezprostředního okolí.
Kromě podrobnější studie GD-1, astronomové plánují použít stejné techniky, které umožňují Gaiaho data, na některé z více než 40 dalších proudů obklopujících Mléčnou dráhu. Rozpoznávání ostruh a mezer v jiných proudech a jejich navázání na temnou hmotu by mohlo dále zlepšit naše porozumění tomu, jak tajemná látka interaguje s viditelnou galaxií.
Po desetiletích záhad nad temnou hmotou mohou mezery a ostruhy ve hvězdných proudech, jako je GD-1, konečně pomoci odhalit tajemství látky, která tvoří většinu vesmíru. „Je to jedna z nejzajímavějších věcí, které vyšly z Gaie, “ říká Price-Whelan.
