Когато малка галактика се приближи твърде близо до Млечния път, гравитацията от по-голямата ни галактика я намотава. Газът и звездите се изтръгват от преминаващата галактика, когато тя пада навътре към своята гибел, създавайки потоци от материал, които се простират между галактическата двойка. Тези потоци продължават да разкъсват звезди, докато падащият обект не бъде напълно изконсумиран. След като сливането приключи, някои от единствените останали признаци на погълнатия обект са звездните потоци, проникващи през Млечния път, малка проба звезди от отдавна изчезнала галактика.
Освен че е запис на миналото, един от тези потоци може да предостави първите преки доказателства за малки мащабни клъстери от тъмна материя - неуловимият материал, за който се смята, че представлява 85 процента от цялата материя във Вселената. Скорошен анализ на следа от звезди разкрива, че той е взаимодействал с плътен обект през последните няколкостотин милиона години. След като изключиха най-вероятните заподозрени, изследователите определиха, че сравнително наскоро направената празнина в потока може да е причинена от малка бучка тъмна материя. Ако бъде потвърдено, вихрите на този звезден поток биха могли да помогнат на учените да се справят чрез конкуриращите се теории за тъмната материя и може би дори да влязат в характеристиките на мистериозния материал.
Звездният поток, известен като GD-1, е тънък поток от материал, натрупан вътре в галактическия ореол, в насипната колекция от звезди и газове, заобикалящи диска на Млечния път. Използвайки данни, публикувани миналия април от космическия телескоп Gaia на Европейската космическа агенция, който е в процес на сглобяване на най-подробната карта на звездите на Млечния път, правени някога, астрономите успяха да използват точни позиционни данни, за да реконструират движението на звездите в GD -1. Изкъсан от облак от материал, потокът е последният остатък от обект, който вероятно е бил консумиран от нашата галактика през последните 300 милиона години - мигли за астрономически времеви диапазони.
Представяне на художник от космическата обсерватория на Гея на ESA, астрометричен телескоп, предназначен да измерва позициите и движенията на звездите. (ESA / НАСА) Гая откри две малки счупвания в потока, първото недвусмислено наблюдение на пропуски в звездно течение, както и гъста колекция от звезди, наречена шпора. Заедно тези характеристики предполагат, че малък, но масивен предмет разтърси материала на потока.
„Мисля, че това е първото пряко динамично доказателство за дребномащабната [структура] на тъмната материя“, казва Адриан Прайс-Уилан, астроном от Института Флатирон в Ню Йорк. Работейки с Ана Бонака от Харвард-Смитсонианския център за астрофизика, Прайс-Уилан проучи новооткритите структури в GD-1, за да определи източника им и представи резултатите по-рано тази година на зимната среща на Американското астрономическо общество.
**********
На около 33 000 светлинни години (10 килопарсеци) GD-1 е най-дългият звезден поток в галактическия ореол. Докато Прайс-Уолан и неговите колеги успяха да използват модели, за да покажат, че една от пропуските, образувани по време на генерирането на потока, другата празнина остана загадка. Въпреки това, заедно с пъзела, Гая разкри и решение: шпора.
Когато обект пътува покрай или през звезден поток, той нарушава звездите. Прайс-Уилан сравнява прекъсването със силна струя въздух, която духа в поток вода. Водата или звездите изхвърлят навън по пътя на разрушителя, създавайки пролука. Някои се движат толкова бързо, че избягат от потока и излитат в космоса, изгубени завинаги. Други се изтеглят обратно в потока, за да образуват вихрови характеристики, които астрономите наричат шпори. След няколкостотин милиона години повечето шпори се сливат обратно в потока и остава само пропастта, въпреки че някои могат да бъдат по-дълготрайни.
Когато става въпрос за забелязване на структури в звездни потоци, Price-Whelan нарича GD-1 "потока на Goldilocks", защото е на точното място. GD-1 е в рамките на звездите на Млечния път, но се движи в обратна посока, което улеснява астрономите да избират звездите в потока от околните обекти. "На всяко място се движи по различен начин от начина, по който се движат повечето от другите звезди в тази част на небето", казва Прайс-Уолан.
Изследователите моделираха какъв тип обекти могат да бъдат отговорни за сравнително новородената шпора, забелязана в GD-1. Те определиха, че отговорният обект трябва да тежи с маса някъде между 1 милион и 100 милиона пъти по-голяма от масата на слънцето. Разтягайки само около 65 светлинни години (20 бр.) Дължина, обектът би бил невероятно плътен. Взаимодействието между потока и плътния обект вероятно би се случило през последните няколкостотин милиона години от живота на Вселената на 13, 8 милиарда години.
Диаграма на нашата галактика, Млечния път. (НАСА / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Тъмната материя не е единственият обект, който би могъл да наруши звездното течение. Глобуларен клъстер или джудже галактика, провиснал се наблизо, също би могъл да създаде пропастта и разклонението. Прайс-Уилан и неговите колеги насочиха поглед към всички известни подобни обекти и изчислиха орбитите си, установявайки, че никой не се е приближил достатъчно до GD-1 през последните милиард години, за да разклати нещата. Случайна среща с изначална черна дупка можеше да изпрати звездите на потока да летят, но това би било изключително рядко събитие.
Според симулациите на тъмна материя, които позволяват малки структури, десетки семена от тъмна материя са разпръснати през галактики като Млечния път. Очаква се поток като GD-1 да срещне поне едно такова семе през последните 8 милиарда години, което прави тъмната материя далеч по-вероятно да се смути въз основа на скоростта на среща, отколкото всеки друг обект.
**********
Тъмната материя съставлява по-голямата част от масата във Вселената, но тя никога не е била пряко наблюдавана. Двете водещи теории за съществуването му са модела на топлата тъмна материя и модела на студената тъмна материя Ламбда (ΛCDM), който е моделът, предпочитан от повечето учени. При ΛCDM тъмната материя образува бучки, които могат да бъдат големи колкото галактика или толкова малки, колкото може да има сода. Моделите с топла тъмна материя предполагат, че материалът има по-малко масивни частици и липсват структурите с размер на консервите, както предлага моделът ΛCDM. Намирането на доказателства за малки мащабни структури на тъмната материя би могло да помогне за премахване на някои модели и да започне да се стеснява върху някои от характеристиките на мъчителните неща.
„Потоците може да са единственият път, който бихме могли да [използваме] да изследваме най-ниския масов край на това, което прави тъмната материя“, казва Прайс-Уолан. "Ако искаме да можем да потвърдим или отхвърлим или изключим различни теории за тъмната материя, наистина трябва да знаем какво се случва в [ниския] край."
Данните на Гея помогнаха да се идентифицират звездите на шпора, но не е достатъчно подробно, за да се сравнят разликите в скоростта между тях и звездите в потока, което би могло да помогне да се потвърди, че тъмната материя е нарушила структурата. Прайс-Уолан и неговите колеги искат да използват космическия телескоп Хъбъл на НАСА, за да проучат допълнително движението на слабите звезди в GD-1. Въпреки че Гая отвори вратата за широкомащабно проучване на движението на звездите през Млечния път, Прайс-Уилан казва, че не може да се конкурира с HST, когато става дума за много слаби звезди. "Можете да пробиете много по-дълбоко, когато имате специален телескоп като Хъбъл", казва той.
Разликите в начина, по който звездите на потока и шпора се движат, биха могли да помогнат на астрономите да определят колко енергия пренася смущаващият обект, както и да позволят на изследователите да изчислят неговата орбита. Тази информация може да бъде използвана за проследяване на разрушителния сноп тъмна материя и изучаване на непосредствената й среда.
Освен да направят по-задълбочено проучване на GD-1, астрономите планират да прилагат същите техники, разрешени от данните на Gaia, в някои от повече от 40 други потока около Млечния път. Откриването на шпори и пропуски в други потоци и обвързването им с тъмна материя може допълнително да подобри нашето разбиране за това как тайнственото вещество взаимодейства с видимата галактика.
След десетилетия озадачаване над мистерията на тъмната материя, пропуските и шпорите в звездни потоци като GD-1 може най-накрая да помогнат за разкриването на тайните на веществото, което съставлява по-голямата част от Вселената. "Това е едно от най-вълнуващите неща, които са излезли от Гая", казва Прайс-Уолан.
