Ciemna materia, tajemniczy niewidzialny składnik wszechświata, nadal stanowi wiele naukowych zagadek.

Chociaż stanowi większość materii w galaktykach, rozkład ciemnej materii w nich może ujawnić kluczowe informacje o jej naturze i roli w ewolucji galaktyk.

Zgodnie z symulacjami komputerowymi, ciemna materia powinna koncentrować się w centrach galaktyk, tworząc tak zwaną gęstość cusp. Jednak wiele badań obserwacyjnych teleskopów sugeruje, że ciemna materia jest bardziej równomiernie rozłożona. Ta sprzeczność między modelami a obserwacjami stanowi duże wyzwanie dla astronomów, zwiększając tajemniczość otaczającą ciemną materię.

Zespół astronomów, korzystający z Teleskopu Kosmicznego Hubble'a NASA, próbuje wyjaśnić tę zagadkę, mierząc dynamiczne ruchy gwiazd w galaktyce karłowatej Draco, znajdującej się około 250 000 lat świetlnych od Ziemi. Dzięki obserwacjom trwającym 18 lat udało im się stworzyć najdokładniejszy trójwymiarowy model ruchów gwiazd w tej małej galaktyce. Wymagało to szczegółowego zbadania niemal dwóch dekad danych archiwalnych Hubble'a na temat galaktyki Draco.

Modele ciemnej materii
"Nasze modele skłaniają się bardziej ku strukturze podobnej do cusp, co jest zgodne z modelami kosmologicznymi," powiedział Eduardo Vitral z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego (STScI) w Baltimore, główny autor badania. "Chociaż nie możemy definitywnie twierdzić, że wszystkie galaktyki zawierają ciemną materię rozłożoną w kształcie cusp, ekscytujące jest posiadanie tak precyzyjnych danych, które przewyższają wszystko, co mieliśmy dotychczas."

Ruchy gwiazd
Aby badać ciemną materię w galaktyce, naukowcy analizują ruchy gwiazd, które są pod wpływem grawitacji ciemnej materii. Powszechną metodą pomiaru prędkości obiektów w kosmosie jest efekt Dopplera – zmiana długości fali światła gwiazdy, która zbliża się lub oddala od Ziemi. Chociaż ta metoda dostarcza cennych informacji, jest ograniczona do danych jednowymiarowych.

Oprócz ruchu w naszym kierunku i od nas, gwiazdy poruszają się również po niebie, co mierzy się jako ich własny ruch. Łącząc ruch w linii widzenia z własnym ruchem, zespół stworzył bezprecedensową analizę trójwymiarowego ruchu gwiazd.

"Postęp danych i modeli zazwyczaj idzie w parze," wyjaśnił Roeland van der Marel z STScI, współautor pracy, który rozpoczął to badanie ponad 10 lat temu. "Jeśli nie masz bardzo zaawansowanych danych lub tylko jednowymiarowych danych, proste modele mogą często wystarczyć. Im więcej wymiarów i złożoności danych zbierasz, tym bardziej złożone muszą być twoje modele, aby naprawdę uchwycić wszystkie subtelności danych."

Długoterminowe zaangażowanie
Ponieważ galaktyki karłowate są znane z większego udziału ciemnej materii niż inne rodzaje galaktyk, zespół skupił się na galaktyce karłowatej Draco, która jest stosunkowo małą i sferoidalną galaktyką satelitarną Drogi Mlecznej.

"Podczas pomiaru własnych ruchów, rejestrujesz pozycję gwiazdy w jednej epoce, a następnie wiele lat później mierzysz pozycję tej samej gwiazdy. Mierzysz przesunięcie, aby określić, jak bardzo gwiazda się przesunęła," wyjaśnił Sangmo Tony Sohn z STScI, współautor pracy i główny badacz najnowszego programu obserwacyjnego. "Do takich obserwacji im dłużej czekasz, tym lepiej możesz zmierzyć ruch gwiazd."

Zespół analizował szereg epok od 2004 do 2022 roku, co stanowi obszerną bazę danych, którą mógł dostarczyć tylko Hubble, dzięki połączeniu swojej ostrej stabilnej wizji i wieloletniej pracy. Bogate dane archiwalne teleskopu pomogły zmniejszyć poziom niepewności w pomiarze własnych ruchów gwiazd. Precyzja jest równoważna pomiarowi rocznego przesunięcia nieco mniejszego niż szerokość piłki golfowej widzianej z Księżyca z Ziemi.

Dzięki trójwymiarowym danym zespół zmniejszył liczbę założeń używanych w poprzednich badaniach i uwzględnił specyficzne dla galaktyki cechy – takie jak jej rotacja, rozmieszczenie gwiazd i ciemnej materii – w swoich modelach.

Ekscytująca przyszłość
Metodologie i modele opracowane dla galaktyki karłowatej Draco można w przyszłości zastosować do innych galaktyk. Zespół już analizuje obserwacje Hubble'a dotyczące galaktyki karłowatej Sculptor i galaktyki karłowatej Ursa Minor.

Badanie ciemnej materii wymaga obserwacji różnych środowisk galaktycznych oraz współpracy różnych misji teleskopów kosmicznych. Na przykład nadchodzący Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman NASA pomoże odkryć nowe szczegóły dotyczące właściwości ciemnej materii w różnych galaktykach, dzięki swojej zdolności do badania dużych obszarów nieba.

"Ten rodzaj badań to długoterminowa inwestycja i wymaga dużo cierpliwości," powiedział Vitral. "Możemy prowadzić taką naukę dzięki planowaniu trwającemu lata, aby faktycznie zebrać te dane. Spostrzeżenia, które zebraliśmy, są wynikiem pracy wielu badaczy, którzy przez lata pracowali nad tymi zagadnieniami."

Te wyniki zostały przyjęte do publikacji w The Astrophysical Journal.

Teleskop Kosmiczny Hubble'a działa od ponad trzech dekad i nadal przynosi rewolucyjne odkrycia, które kształtują nasze podstawowe rozumienie wszechświata. Hubble jest projektem międzynarodowej współpracy między NASA a ESA (Europejska Agencja Kosmiczna). Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt, Maryland, zarządza teleskopem i operacjami misji. Lockheed Martin Space z Denver, Colorado, również wspiera operacje misji w Goddardzie. Instytut Naukowy Teleskopu Kosmicznego (STScI) w Baltimore, Maryland, zarządzany przez Association of Universities for Research in Astronomy, prowadzi operacje naukowe Hubble'a dla NASA.

Źródło: National Aeronautics and Space Administration