با اندازه گیری سرعت ستارگان در سراسر کهکشان راه شیری، فیزیکدانان MIT دریافتند که ستارگان بیشتر در قرص کهکشانی در مقایسه با ستاره های نزدیک به مرکز کهکشان کندتر از حد انتظار حرکت می کنند. این یافته‌ها احتمال شگفت‌انگیزی را ایجاد می‌کند: هسته گرانشی راه شیری ممکن است از نظر جرم سبک‌تر و حاوی ماده تاریک کمتری نسبت به آنچه قبلا تصور می‌شد باشد.
نتایج جدید بر اساس تجزیه و تحلیل تیم از داده های گرفته شده توسط ابزار Gaia و APOGEE است. گایا یک تلسکوپ فضایی در مدار است که مکان دقیق، فاصله و حرکت بیش از 1 میلیارد ستاره را در سراسر کهکشان راه شیری ردیابی می کند، در حالی که APOGEE یک بررسی زمینی است. فیزیکدانان اندازه گیری های گایا بیش از 33000 ستاره، از جمله برخی از دورترین ستاره های کهکشان را تجزیه و تحلیل کردند و با توجه به فاصله ستاره از مرکز کهکشان، “سرعت دایره ای” هر ستاره یا سرعت گردش یک ستاره به دور قرص کهکشان را تعیین کردند. .
دانشمندان سرعت هر ستاره را در برابر فاصله آن ترسیم کردند تا یک منحنی اسپین ایجاد کنند، یک نمودار استاندارد در نجوم که نشان دهنده سرعت چرخش ماده در فاصله معینی از مرکز کهکشان است. شکل این منحنی می تواند به دانشمندان این تصور را بدهد که چقدر ماده مرئی و تاریک در یک کهکشان توزیع شده است.
لینا نسیب، استادیار فیزیک در MIT می‌گوید: «چیزی که ما واقعاً از دیدن آن متعجب شدیم این بود که این منحنی تا فاصله‌ای مشخص صاف، مسطح و صاف باقی ماند و سپس شروع به پایین آمدن کرد. این بدان معناست که ستارگان بیرونی اندکی آهسته تر از حد انتظار می چرخند که نتیجه بسیار شگفت انگیزی است.
این تیم منحنی چرخش جدید را به توزیع ماده تاریک تبدیل کرد که می تواند کاهش سرعت ستارگان بیرونی را توضیح دهد و دریافتند که نقشه به دست آمده یک هسته کهکشانی سبک تر از حد انتظار ایجاد می کند. یعنی مرکز کهکشان راه شیری ممکن است چگالی کمتری داشته باشد و ماده تاریک کمتری نسبت به آنچه دانشمندان تصور می کردند باشد.
Necib می گوید: «این نتیجه را با اندازه گیری های دیگر در تنش قرار می دهد. “یک جایی اتفاق عجیبی در حال رخ دادن است، و این واقعا هیجان انگیز است که بفهمیم کجاست تا بتوانیم تصویری واقعا ثابت از کهکشان راه شیری داشته باشیم.”
تیم نتایج خود را گزارش می دهد این ماه در اعلامیه های ماهانه مجله انجمن سلطنتی. نویسندگان مشترک مطالعه MIT، از جمله Necib، نویسنده اول Xiaowei Ou، Anna-Christina Eilers و Anna Frebel هستند.
“به هیچ کجا”
مانند بسیاری از کهکشان‌های جهان، کهکشان راه شیری مانند آب در گرداب می‌چرخد و چرخش آن تا حدی توسط تمام مواد در حال چرخش در قرص آن انجام می‌شود. در دهه 1970، ستاره شناس ورا روبین اولین کسی بود که متوجه شد کهکشان ها به گونه ای می چرخند که تنها توسط ماده مرئی نمی توان آن را به حرکت درآورد. او و همکارانش سرعت دایره‌ای ستارگان را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که منحنی‌های چرخش حاصل به‌طور شگفت‌آوری صاف هستند. این بدان معناست که سرعت ستارگان در سرتاسر کهکشان ثابت می ماند، نه اینکه با فاصله کاهش یابد. آنها به این نتیجه رسیدند که نوع دیگری از ماده نامرئی باید بر روی ستارگان دور اثر بگذارد تا آنها را تقویت کند.
کار روبین روی منحنی‌های چرخش یکی از اولین شواهد قانع‌کننده برای وجود ماده تاریک بود، موجودی نامرئی و ناشناخته که گمان می‌رود از همه ستارگان و دیگر مواد مرئی در جهان پیشی می‌گیرد.
از آن زمان، اخترشناسان منحنی‌های مسطح مشابهی را در کهکشان‌های دور مشاهده کرده‌اند که بیشتر از حضور ماده تاریک حمایت می‌کند. اخیراً ستاره شناسان تلاش کرده اند منحنی چرخش را در کهکشان ستارگان خودمان ترسیم کنند.
Ou خاطرنشان می کند: “به نظر می رسد که اندازه گیری منحنی چرخش زمانی که در داخل کهکشان نشسته اید دشوارتر است.”
در سال 2019، آنا کریستینا ایلرز، استادیار فیزیک در MIT، برای ترسیم منحنی چرخش کهکشان راه شیری با استفاده از مجموعه داده های قبلی منتشر شده توسط ماهواره گایا کار کرد. این پیام شامل ستارگانی در فاصله 25 کیلوپارسکی یا حدود 81000 سال نوری از مرکز کهکشان بود.
بر اساس این داده ها، ایلرز متوجه شد که منحنی چرخش کهکشان راه شیری مسطح به نظر می رسد، البته با شیب جزئی، مشابه دیگر کهکشان های دور، و به این نتیجه رسید که کهکشان احتمالاً دارای چگالی بالایی از ماده تاریک در هسته خود است. اما این دیدگاه اکنون تغییر کرده است زیرا تلسکوپ دسته جدیدی از داده ها را منتشر کرد، این بار شامل ستارگانی در فاصله 30 کیلوپارسکی – تقریباً 100000 سال نوری از هسته کهکشانی.
فروبل می گوید: «در این فواصل، ما درست در لبه کهکشان هستیم، جایی که ستاره ها شروع به ناپدید شدن می کنند. هیچ کس بررسی نکرده است که چگونه ماده در این کهکشان بیرونی حرکت می کند، جایی که ما واقعاً در میانه ناکجا آباد هستیم.
تنش عجیب
Frebel، Necib، Ou و Eilers از داده‌های جدید Gaia استفاده کردند و به دنبال گسترش منحنی چرخش اولیه Eilers بودند. این تیم برای اصلاح تجزیه و تحلیل خود، داده‌های گایا را با اندازه‌گیری‌های APOGEE تکمیل کردند، آزمایش تکامل کهکشانی رصدخانه نقطه آپاچی، که ویژگی‌های بسیار دقیق بیش از 700000 ستاره در کهکشان راه شیری، مانند روشنایی، دما و ترکیب عنصری آنها را اندازه‌گیری می‌کند.
Ou توضیح می دهد: “ما همه این اطلاعات را در یک الگوریتم قرار می دهیم تا سعی کنیم روابطی را بیاموزیم که می تواند تخمین بهتری از فاصله تا یک ستاره به ما بدهد.” به این ترتیب ما می‌توانیم یکدیگر را به فاصله‌های بیشتری هل دهیم.»
این تیم فواصل دقیق بیش از 33000 ستاره را تعیین کرد و از این اندازه‌گیری‌ها برای ایجاد نقشه‌ای سه بعدی از ستارگان پراکنده در کهکشان راه شیری تا حدود 30 کیلوپارسک استفاده کرد. آنها سپس این نقشه را به یک مدل سرعت دایره ای متصل کردند تا با توجه به توزیع ستاره های دیگر در کهکشان، سرعت یک ستاره را شبیه سازی کنند. سپس سرعت و فاصله هر ستاره را بر روی نمودار ترسیم کردند تا منحنی چرخش به روز شده راه شیری را ایجاد کنند.
نسیب می‌گوید: «اینجا بود که عجیب و غریب وارد شد.
این تیم به جای مشاهده یک شیب جزئی مانند منحنی‌های چرخش قبلی، خاطرنشان کردند که منحنی جدید بیش از حد انتظار در لبه بیرونی فرو می‌رود. این افت غیرمنتظره نشان می دهد که در حالی که ستارگان به همان سرعتی به یک مسافت معین سفر می کنند، ناگهان در دورترین فاصله ها سرعت خود را کاهش می دهند. به نظر می رسد ستارگان حومه آهسته تر از حد انتظار حرکت می کنند.
وقتی تیم این منحنی چرخش را به مقدار ماده تاریکی که باید در کل کهکشان وجود داشته باشد ترجمه کردند، متوجه شدند که هسته راه شیری ممکن است حاوی ماده تاریک کمتری نسبت به تخمین قبلی باشد.
Necib می گوید: «این نتیجه با اندازه گیری های دیگر در تنش است. “درک واقعی این نتیجه پیامدهای عمیقی خواهد داشت. این می‌تواند منجر به ایجاد توده‌های پنهان بیشتر در فراسوی لبه دیسک کهکشانی یا تجدیدنظر در وضعیت تعادل کهکشان ما شود. هدف ما این است که با استفاده از شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا کهکشان‌های شبه راه شیری، این پاسخ‌ها را در کارهای آتی بیابیم.”
این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم تامین شده است.
