Όταν ένας μικρός γαλαξίας απομακρύνεται πολύ κοντά στον Γαλαξία, η βαρύτητα από τον μεγαλύτερο γαλαξία μας το ξεδιπλώνει. Τα αέρια και τα αστέρια διαπερνούνται από το πέρασμα του γαλαξία καθώς πέφτουν προς τα μέσα προς την καταστροφή του, δημιουργώντας ρεύματα υλικού που τεντώνονται μεταξύ του γαλαξιακού ζεύγους. Αυτά τα ρεύματα συνεχίζουν να σκίζουν τα αστέρια έως ότου το φουσκωμένο αντικείμενο έχει καταναλωθεί τελείως. Μετά την ολοκλήρωση της συγχώνευσης, μερικά από τα μόνα εναπομένοντα σημάδια του καταβυθισμένου αντικειμένου είναι τα αστρικά ρεύματα που κρύβονται μέσα από το Γαλαξία, ένα μικρό δείγμα από αστέρια από έναν γαλαξία που έχει περάσει πολύ καιρό.
Εκτός από την ύπαρξη ιστορικού του παρελθόντος, ένα από αυτά τα ρεύματα μπορεί να αποτελέσει την πρώτη άμεση μαρτυρία για μικρές κλίμακες σκούρας ύλης - το αόριστο υλικό που πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύει το 85% όλων των υλικών στο σύμπαν. Μια πρόσφατη ανάλυση ενός ίχνους αστεριών αποκαλύπτει ότι αλληλεπιδρά με ένα πυκνό αντικείμενο τα τελευταία εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Αφού αποκλείστηκαν οι πιθανότεροι ύποπτοι, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το σχετικά πρόσφατα δημιουργημένο κενό στο ρεύμα μπορεί να προκλήθηκε από ένα μικρό σμήνος σκοτεινής ύλης. Εάν επιβεβαιωθούν, οι στροφές αυτού του αστρικού ρεύματος θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να ταξινομήσουν τις ανταγωνιστικές θεωρίες σχετικά με τη σκοτεινή ύλη και ίσως να μοιραστούν τα χαρακτηριστικά του μυστηριώδους υλικού.
Το αστρικό ρεύμα που είναι γνωστό ως GD-1 είναι μια λεπτή ροή υλικού που μπαίνει μέσα στο γαλαξιακό φωτοστέφανο, τη χαλαρή συλλογή των αστεριών και των αερίων που περιβάλλουν το δίσκο του Γαλαξία. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που κυκλοφόρησε τον περασμένο Απρίλιο από το διαστημικό τηλεσκόπιο Gaia της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, το οποίο βρίσκεται στη διαδικασία συγκέντρωσης του πιο λεπτομερούς χάρτη των αστέων του Γαλαξία μας, οι αστρονόμοι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ακριβή δεδομένα θέσης για να ανοικοδομήσουν την κίνηση των αστεριών στο GD -1. Το τρεχούμενο από ένα σύννεφο υλικό, το ρεύμα είναι το τελευταίο κατάλοιπο ενός αντικειμένου που πιθανότατα καταναλώθηκε από τον γαλαξία μας τα τελευταία 300 εκατομμύρια χρόνια - ένα μάτι με τα αστρονομικά χρονοδιαγράμματα.
Η απόδοση του καλλιτέχνη στο παρατηρητήριο διαστήματος Gaia του ESA, ένα τηλεσκόπιο αστρομετρίας σχεδιασμένο για τη μέτρηση των θέσεων και των κινήσεων των αστεριών. (ESA / NASA) Η Γκάια βρήκε δύο μικρά διαλείμματα στο ρέμα, την πρώτη ξεκάθαρη παρατήρηση των κενών σε ένα αστρικό ρεύμα, καθώς και μια πυκνή συλλογή από αστέρια που ονομάζεται σφυρί. Μαζί, αυτά τα χαρακτηριστικά δείχνουν ότι ένα μικρό αλλά μαζικό αντικείμενο έσκαψε το υλικό του ρεύματος.
"Πιστεύω ότι αυτή είναι η πρώτη άμεση δυναμική μαρτυρία για τη μικρή δομή της σκοτεινής ύλης", λέει ο Adrian Price-Whelan, αστρονόμος στο Ινστιτούτο Flatiron της Νέας Υόρκης. Σε συνεργασία με την Ana Bonaca του Κέντρου Αστροφυσικής του Harvard-Smithsonian, η Price-Whelan διερεύνησε τις νεοσυσταθείσες δομές του GD-1 για να προσδιορίσει την πηγή τους και παρουσίασε τα αποτελέσματα νωρίτερα αυτό το χρόνο στη χειμερινή συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας.
**********
Σε περίπου 33.000 έτη φωτός (10 kiloparsecs), το GD-1 είναι το μακρύτερο αστρικό ρεύμα στο γαλαξιακό φωτοστέφανο. Ενώ η Price-Whelan και οι συνεργάτες του ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσουν μοντέλα για να δείξουν ότι ένα από τα κενά που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια της δημιουργίας του ρεύματος, το άλλο χάσμα παρέμεινε ένα μυστήριο. Ωστόσο, μαζί με το παζλ, η Gaia αποκάλυψε επίσης μια λύση: το κίνημα.
Όταν ένα αντικείμενο ταξιδεύει παρελθόν ή μέσα από ένα αστρικό ρεύμα, διακόπτει τα αστέρια. Το Price-Whelan συγκρίνει τη διαταραχή σε ένα ισχυρό αεριωθούμενο αέρα που φυσάει μέσα από ένα ρεύμα νερού. Το νερό ή τα αστέρια πέφτουν προς τα έξω κατά μήκος της διαδρομής του διαταράκτη, δημιουργώντας ένα κενό. Κάποιοι κινούνται τόσο γρήγορα ώστε να ξεφύγουν από το ρέμα και να πετάξουν μακριά στο διάστημα, χάνονται για πάντα. Άλλοι έχουν τραβηχτεί πίσω στο ρεύμα για να σχηματίσουν μορφές που μοιάζουν με εξοβότοπα που οι αστρονόμοι αποκαλούν σπονδές. Μετά από μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, οι περισσότεροι ποταμοί συγχωνεύονται πίσω στο ρέμα, και μόνο το κενό παραμένει, αν και μερικοί μπορεί να είναι μακρύτεροι.
Όταν πρόκειται για εντοπισμό δομών σε αστρικά ρεύματα, η Price-Whelan αποκαλεί το GD-1 "το ρεύμα Goldilocks" επειδή είναι ακριβώς στη σωστή θέση. Το GD-1 είναι μέσα στα αστέρια του Γαλαξία, αλλά κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση, διευκολύνοντας έτσι τους αστρονόμους να διαλέξουν τα αστέρια στη ροή από τα γύρω αντικείμενα. "Σε κάθε δεδομένη τοποθεσία, κινείται διαφορετικά από τον τρόπο που τα περισσότερα από τα άλλα αστέρια σε αυτό το τμήμα του ουρανού κινούνται", λέει η Price-Whelan.
Οι ερευνητές μοντελοποίησαν τον τύπο αντικειμένων που θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνοι για το σχετικά νεογέννητο κλονισμό που εντοπίστηκε στο GD-1. Προσδιόρισαν ότι το υπεύθυνο αντικείμενο έπρεπε να ζυγίζει με μια μάζα κάπου μεταξύ 1 εκατομμυρίου και 100 εκατομμυρίων φορές τη μάζα του ήλιου. Εκτεινόμενη μόνο περίπου 65 έτη φωτός (20 τεμ.), Το αντικείμενο θα ήταν απίστευτα πυκνό. Η αλληλεπίδραση μεταξύ του ρεύματος και του πυκνού αντικειμένου θα είχε συμβεί κατά τα τελευταία μερικά εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια από τη ζωή του σύμπαντος 13, 8 δισεκατομμυρίων ετών.
Ένα διάγραμμα του γαλαξία μας, τον Γαλαξία. (NASA / JPL-Caltech / R.Hurt (SSC / Caltech)) Η σκοτεινή ύλη δεν είναι το μόνο αντικείμενο που θα μπορούσε να διαταράξει το αστρικό ρεύμα. Ένα σφαιροειδές σύμπλεγμα ή ένας νάνος γαλαξίας που βρίσκεται σε κοντινή απόσταση θα μπορούσε επίσης να έχει δημιουργήσει το χάσμα και την ώθηση. Ο Price-Whelan και οι συνεργάτες του γύρισαν τα μάτια τους προς όλα τα γνωστά αντικείμενα και υπολογίζουν τις τροχιές τους, διαπιστώνοντας ότι κανένας δεν έφτασε αρκετά κοντά στο GD-1 τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια για να ταρακουνήσει τα πράγματα. Μια τυχαία συνάντηση με μια πρωταρχική μαύρη τρύπα θα μπορούσε να έχει στείλει τα αστέρια του ρέματος, αλλά θα ήταν ένα εξαιρετικά σπάνιο γεγονός.
Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις σκοτεινής ύλης που επιτρέπουν μικρές δομές, πολλά σπόρια σκοτεινής ύλης διασκορπίζονται μέσω γαλαξιών όπως ο Γαλαξίας. Ένα ρεύμα όπως το GD-1 αναμένεται να συναντήσει τουλάχιστον έναν τέτοιο σπόρο μέσα στα τελευταία 8 δισεκατομμύρια χρόνια, καθιστώντας τη σκοτεινή ύλη πολύ πιο πιθανό να διαρρήξει με βάση τα ποσοστά συναντήσεων από οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο.
**********
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας στο σύμπαν, αλλά ποτέ δεν παρατηρήθηκε άμεσα. Οι δύο κορυφαίες θεωρίες για την ύπαρξή του είναι το μοντέλο θερμής σκοτεινής ύλης και το μοντέλο Lambda κρύου σκοτεινής ύλης (ΛCDM), το οποίο είναι το μοντέλο που προτιμάται από τους περισσότερους επιστήμονες. Κάτω από το ΛCDM, η σκοτεινή ύλη σχηματίζει συστάδες που μπορεί να είναι τόσο μεγάλες όσο ένας γαλαξίας ή τόσο μικρό όσο ένα σόδα. Τα μοντέλα θερμής σκοτεινής ύλης υποδεικνύουν ότι το υλικό έχει λιγότερο ογκώδη σωματίδια και στερείται δομών μεγέθους δοχείου που προτείνει το μοντέλο ΛCDM. Η εύρεση αποδείξεων για δομές μικρής κλίμακας της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να βοηθήσει να εξαλείψει ορισμένα μοντέλα και να αρχίσει να περιορίζεται σε μερικά από τα χαρακτηριστικά των ταλαντούχων ουσιών.
"Τα ρεύματα μπορεί να είναι η μόνη οδός που θα μπορούσαμε να μελετήσουμε το κατώτατο όριο της μαζικής ενέργειας που κάνει η σκοτεινή ύλη", λέει η Price-Whelan. "Αν θέλουμε να μπορέσουμε να επιβεβαιώσουμε ή να απορρίψουμε ή να αποκλείσουμε διαφορετικές θεωρίες σκοτεινής ύλης, πρέπει πραγματικά να γνωρίζουμε τι συμβαίνει στο τέλος [του χαμηλού]".
Τα δεδομένα της Γαίας βοήθησαν να αναγνωριστούν τα αστέρια του κώνου, αλλά δεν είναι αρκετά λεπτομερής για να συγκριθούν οι διαφορές ταχύτητας μεταξύ αυτών και των αστεριών στο ρεύμα, γεγονός που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει ότι η σκοτεινή ύλη διαταράσσει τη δομή. Η Price-Whelan και οι συνεργάτες του θέλουν να χρησιμοποιήσουν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA για να μελετήσουν περαιτέρω την κίνηση των εξασθενημένων αστεριών στο GD-1. Παρόλο που η Gaia έχει ανοίξει την πόρτα για την ευρεία εξέταση της κίνησης των αστεριών μέσω του Γαλαξία, η Price-Whelan λέει ότι δεν μπορεί να ανταγωνιστεί με το HST όταν πρόκειται για πολύ αδύναμα αστέρια. "Μπορείτε να τρυπήσετε πολύ πιο βαθιά όταν έχετε ένα ειδικό τηλεσκόπιο όπως το Hubble", λέει.
Οι διαφορές στον τρόπο με τον οποίο τα αστέρια του ρεύματος και η ώθηση κινούνται θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστρονόμους να καθορίσουν πόση ενέργεια το αντικείμενο που προκαλεί το πρόβλημα και να επιτρέψει στους ερευνητές να υπολογίσουν την τροχιά του. Αυτά τα στοιχεία της πληροφορίας θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του συντριπτικού κομματιού της σκοτεινής ύλης και τη μελέτη του άμεσου περιβάλλοντος.
Εκτός από τη διεξαγωγή μιας πιο εμπεριστατωμένης μελέτης του GD-1, οι αστρονόμοι σχεδιάζουν να εφαρμόσουν τις ίδιες τεχνικές που επιτρέπουν τα δεδομένα της Gaia σε μερικές από τις περισσότερες από 40 άλλες ροές που περιβάλλουν τον Γαλαξία. Το να εντοπίζουμε σπινθήρες και κενά σε άλλα ρεύματα και να τα συνδέουμε με τη σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να βελτιώσει περαιτέρω την κατανόησή μας για το πώς η μυστηριώδης ουσία αλληλεπιδρά με τον ορατό γαλαξία.
Μετά από δεκαετίες αινιγματισμού πάνω από το μυστήριο της σκοτεινής ύλης, τα κενά και τα κλαδιά σε αστρικά ρεύματα όπως το GD-1 μπορούν τελικά να βοηθήσουν να αποκαλυφθούν τα μυστικά της ουσίας που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος. "Αυτό είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα που έχει βγει από τη Γαία", λέει η Price-Whelan.
