De langzamere buitenste sterren in de Melkweg geven aan dat donkere materie overdreven is

Massachusetts Institute of TechnologyExterieur studieshow Melkweg De sterren roteren langzamer, wat wijst op een lichtere kern die minder donkere materie bevat, wat in tegenspraak is met eerdere aannames.

Door de snelheid van sterren in de Melkweg vast te leggen, ontdekten MIT-natuurkundigen dat sterren in de galactische schijf langzamer bewegen dan verwacht vergeleken met sterren dichter bij het galactische centrum. De resultaten brengen een verrassende mogelijkheid naar voren: de zwaartekrachtkern van de Melkweg kan lichter zijn en minder donkere materie bevatten dan eerder werd gedacht.

De nieuwe bevindingen zijn gebaseerd op de analyse van het team van gegevens die zijn vastgelegd door Gaia- en APOGEE-instrumenten. Gaia is een in een baan om de aarde draaiende ruimtetelescoop die de precieze positie, afstand en beweging van meer dan een miljard sterren in de Melkweg volgt, terwijl APOGEE een onderzoek op de grond is. Natuurkundigen analyseerden Gaia's metingen van meer dan 33.000 sterren, waaronder enkele van de meest verre sterren in de Melkweg, en bepaalden de 'cirkelsnelheid' van elke ster, oftewel hoe snel de ster ronddraait in de galactische schijf, gegeven de afstand van de ster tot het centrum van de Melkweg. het sterrenstelsel. .

Galactische rotatie begrijpen

Wetenschappers hebben de snelheid van elke ster uitgezet tegen zijn afstand om een ​​rotatiecurve te genereren, een standaardgrafiek in de astronomie die weergeeft hoe snel materie roteert op een bepaalde afstand van het centrum van de melkweg. De vorm van deze curve kan wetenschappers een idee geven van hoeveel zichtbare en donkere materie er door het sterrenstelsel is verdeeld.

“Wat we echt verrasten was dat deze curve een bepaalde afstand vlak, vlak, vlak bleef, en daarna begon te dalen”, zegt Lina Naguib, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. “Dit betekent dat de buitenste sterren iets langzamer roteren dan verwacht, wat een zeer verrassend resultaat is.”

Een onderzoek door natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology suggereert dat de zwaartekrachtkern van de Melkweg mogelijk lichter van massa is en minder donkere materie bevat dan eerder werd gedacht. Bron afbeelding: ESA/Gaia/DPAC, onder redactie van MIT News

Uitdagende theorieën over donkere materie

Het team vertaalde de nieuwe rotatiecurve in een verdeling van donkere materie die de vertraging van exosterren zou kunnen verklaren, en ontdekte dat de resulterende kaart een lichtere kern van sterrenstelsels produceerde dan verwacht. Dat wil zeggen dat het centrum van de Melkweg mogelijk minder dicht is en minder donkere materie bevat dan wetenschappers denken.

“Hierdoor komt dit resultaat op spanning met andere metingen”, zegt Najeeb. “Er is ergens iets verdachts aan de hand, en het is heel interessant om uit te zoeken waar dat is, om een ​​samenhangend beeld van de Melkweg te krijgen.”

Het team maakt deze maand zijn resultaten bekend Maandelijkse mededelingen van het Journal of the Royal Society. Co-auteurs van de studie van MIT, waaronder Nassib, zijn eerste auteur Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers en Anna Friebel.

“in het niets”

Zoals de meeste sterrenstelsels in het heelal draait de Melkweg rond als water in een draaikolk, waarbij de rotatie ervan gedeeltelijk wordt aangedreven door alle materie die in de schijf ronddraait. In de jaren zeventig was astronoom Vera Rubin de eerste die opmerkte dat sterrenstelsels roteren op een manier die niet door puur zichtbare materie kan worden aangedreven. Zij en haar collega's maten de rotatiesnelheid van sterren en ontdekten dat de resulterende rotatiecurven verrassend vlak waren. Dit betekent dat de snelheid van de sterren in het hele sterrenstelsel hetzelfde bleef, in plaats van af te nemen met de afstand. Ze concludeerden dat een ander type onzichtbare materie verre sterren moet beïnvloeden om ze een extra impuls te geven.

Rubins werk over rotatiecurven was een van de eerste sterke bewijzen voor het bestaan ​​van donkere materie, een onzichtbare en onbekende entiteit die naar schatting zwaarder weegt dan alle sterren en andere zichtbare materie in het universum.

Sindsdien hebben astronomen vergelijkbare vlakke curven waargenomen in verre sterrenstelsels, wat het bestaan ​​van donkere materie ondersteunt. Pas onlangs hebben astronomen geprobeerd de rotatiecurve van ons sterrenstelsel in kaart te brengen.

“Het blijkt dat het moeilijk is om de rotatiecurve te meten als je in een sterrenstelsel zit”, zegt Au.

Nieuwe inzichten uit Gaia-gegevens

In 2019 heeft Anna Christina Ehlers, een assistent-professor natuurkunde aan het MIT, de rotatiecurve van de Melkweg uitgezet met behulp van een eerdere reeks gegevens van de Gaia-satelliet. Deze gegevenspublicatie omvatte sterren tot 25 kiloparsec, oftewel ongeveer 81.000 lichtjaar, van het galactische centrum.

Op basis van deze gegevens constateerde Ehlers dat de rotatiecurve van de Melkweg vlak lijkt, zij het met een lichte dip, vergelijkbaar met die van andere verre sterrenstelsels. Hieruit kan worden afgeleid dat het sterrenstelsel waarschijnlijk een hoge dichtheid aan donkere materie in zijn kern draagt. Maar die mening is nu veranderd, omdat de telescoop een nieuwe reeks gegevens heeft vrijgegeven, deze keer inclusief sterren tot op een afstand van 30 kiloparsec, ongeveer 100.000 lichtjaar verwijderd van de kern van het sterrenstelsel.

‘Op deze afstanden bevinden we ons aan de rand van het sterrenstelsel, waar sterren beginnen te vervagen’, zegt Fripple. “Niemand heeft onderzocht hoe materie beweegt in dit buitenste sterrenstelsel, waar we ons letterlijk in het niets bevinden.”

Vreemde spanning

Frebel, Naguib, Au en Ehlers sprongen in de nieuwe Gaia-gegevens en wilden de initiële rotatiecurve van Ehlers uitbreiden. Om hun analyse te verbeteren heeft het team de Gaia-gegevens aangevuld met metingen van APOGEE – Apache Point Observatory's Galaxy Evolution Experiment, dat zeer gedetailleerde eigenschappen meet van meer dan 700.000 sterren in de Melkweg, zoals hun helderheid, temperatuur en elementaire samenstelling.

‘We voeren al deze informatie in een algoritme om verbindingen te ontdekken die ons vervolgens betere schattingen kunnen geven van de afstand tot de ster’, legt Au uit. “Zo kunnen we nog verder komen.”

Het team bepaalde de precieze afstanden van meer dan 33.000 sterren en gebruikte deze metingen om een ​​3D-kaart te maken van sterren verspreid over de Melkweg tot ongeveer 30 kiloparsec. Vervolgens combineerden ze deze kaart tot een model van cirkelsnelheid, waarbij ze de snelheid simuleerden waarmee elke ster zou moeten bewegen, rekening houdend met de verdeling van alle andere sterren in de melkweg. Vervolgens hebben ze de snelheid en afstand van elke ster op een kaart uitgezet om een ​​bijgewerkte rotatiecurve voor de Melkweg te verkrijgen.

“Hier kwam de vreemdheid”, zegt Naguib.

In plaats van een lichte dip te zien zoals bij eerdere rotatiecurves, merkte het team dat de nieuwe curve aan de buitenkant sterker daalde dan verwacht. Deze onverwachte afname geeft aan dat sterren weliswaar met dezelfde snelheid over een bepaalde afstand reizen, maar op grotere afstanden plotseling langzamer gaan draaien. De sterren in de buitenwijken lijken langzamer te bewegen dan verwacht.

Ontdek de geheimen van de Melkweg

Toen het team deze rotatiecurve vertaalde naar de hoeveelheid donkere materie die in het hele sterrenstelsel aanwezig zou moeten zijn, ontdekten ze dat de kern van de Melkweg mogelijk minder donkere materie bevat dan eerder werd geschat.

“Dit resultaat is inconsistent met andere metingen”, zegt Najeeb. “Het werkelijk begrijpen van dit resultaat zal diepgaande gevolgen hebben. Dit zou kunnen leiden tot meer verborgen massa's buiten de rand van de galactische schijf, of tot een herziening van de evenwichtstoestand van onze Melkweg. We proberen deze antwoorden te vinden in aankomend werk, met behulp van hoge resolutie simulaties van Melkwegachtige sterrenstelsels.

Referentie: “Donkere-materiebeeld van de Melkweg afgeleid uit de cirkelvormige snelheidscurve” door Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib en Anna Friebel, 8 januari 2024, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation.