Tajemnicze właściwości i zachowanie ciemnej materii, niewidzialnego "kleju" wszechświata, pozostają owiane tajemnicą. Chociaż galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, zrozumienie, jak jest ona rozłożona w galaktyce, daje wskazówki na temat tego, czym jest ta substancja i jak jest istotna dla ewolucji galaktyki.

Podczas gdy symulacje komputerowe sugerują, że ciemna materia powinna gromadzić się w centrum galaktyki, nazywanym szczytem gęstości, wiele wcześniejszych obserwacji teleskopowych wskazuje, że jest ona zamiast tego bardziej równomiernie rozłożona w galaktyce. Powód tej rozbieżności między modelami a obserwacjami nadal wprawia astronomów w zakłopotanie, dodatkowo potęgując tajemnicę ciemnej materii.

Zespół astronomów zwrócił się do Kosmicznego Teleskopu Hubble'a NASA, aby spróbować wyjaśnić tę dyskusję, mierząc dynamiczne ruchy gwiazd w galaktyce karłowatej Draco, systemie położonym około 250 000 lat świetlnych od Ziemi. Korzystając z obserwacji trwających 18 lat, byli w stanie zbudować najdokładniejsze trójwymiarowe zrozumienie ruchów gwiazd w małej galaktyce. Wymagało to dokładnego przeszukania prawie dwóch dekad archiwalnych obserwacji galaktyki Draco przez teleskop Hubble'a.

"Nasze modele są bardziej zgodne ze strukturą szczytu gęstości, co jest zgodne z modelami kosmologicznymi," powiedział Eduardo Vitral z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego (STScI) w Baltimore i główny autor badania. "Chociaż nie możemy definitywnie stwierdzić, że wszystkie galaktyki zawierają rozkład szczytu gęstości ciemnej materii, ekscytujące jest posiadanie tak dobrze zmierzonych danych, które przewyższają wszystko, co mieliśmy wcześniej."

Mapowanie ruchów gwiazd
Aby dowiedzieć się więcej o ciemnej materii w galaktyce, naukowcy mogą badać jej gwiazdy i ich ruchy, które są zdominowane przez przyciąganie ciemnej materii. Powszechnym podejściem do pomiaru prędkości obiektów poruszających się w przestrzeni jest efekt Dopplera – zmiana długości fali światła, jeśli gwiazda zbliża się lub oddala od Ziemi. Chociaż ta prędkość w linii widzenia może dostarczyć cennych informacji, z tego jednowymiarowego źródła informacji można dowiedzieć się tylko tyle.

Oprócz zbliżania się lub oddalania od nas, gwiazdy poruszają się również po niebie, co jest mierzone jako ich własny ruch. Łącząc prędkość w linii widzenia z własnym ruchem, zespół stworzył niespotykaną analizę trójwymiarowych ruchów gwiazd.

"Poprawa danych i poprawa modelowania zwykle idą w parze," wyjaśnił Roeland van der Marel z STScI, współautor pracy, który zainicjował badanie ponad 10 lat temu. "Jeśli nie masz bardzo zaawansowanych danych lub tylko jednowymiarowych danych, wtedy stosunkowo proste modele mogą często pasować. Im więcej wymiarów i złożoności danych zbierasz, tym bardziej złożone muszą być twoje modele, aby naprawdę uchwycić wszystkie subtelności danych."

Naukowy maraton, nie sprint
Jako że galaktyki karłowate są znane z wyższego udziału ciemnej materii w porównaniu do innych typów galaktyk, zespół skoncentrował się na galaktyce karłowatej Draco, stosunkowo małym i sferoidalnym sąsiedzie Drogi Mlecznej.

"Kiedy mierzysz własny ruch, zapisujesz pozycję gwiazdy w jednej epoce, a następnie mierzysz pozycję tej samej gwiazdy wiele lat później. Mierzysz przesunięcie, aby określić, jak daleko się przesunęła," wyjaśnił Sangmo Tony Sohn z STScI, kolejny współautor pracy i główny badacz najnowszego programu obserwacyjnego. "Dla tego rodzaju obserwacji im dłużej czekasz, tym lepiej możesz zmierzyć przesunięcie gwiazd."

Zespół przeanalizował szereg epok od 2004 do 2022 roku, obszerną bazę danych, którą mógł zaoferować tylko Hubble, dzięki połączeniu swojej ostrej, stabilnej wizji i rekordowego czasu pracy. Bogate archiwum danych teleskopu pomogło zmniejszyć poziom niepewności w pomiarze własnych ruchów gwiazd. Precyzja jest równoważna mierzeniu rocznego przesunięcia nieco mniejszego od szerokości piłki golfowej widzianej na Księżycu z Ziemi.

Dzięki trzem wymiarom danych, zespół zmniejszył ilość założeń stosowanych w poprzednich badaniach i uwzględnił w swoich modelach cechy specyficzne dla galaktyki – takie jak jej rotacja i rozmieszczenie gwiazd i ciemnej materii.

Ekscytująca przyszłość
Metodologie i modele opracowane dla galaktyki karłowatej Draco mogą być zastosowane do innych galaktyk w przyszłości. Zespół już analizuje obserwacje Hubble'a galaktyk karłowatych Rzeźbiarza i Małej Niedźwiedzicy.

Badanie ciemnej materii wymaga obserwacji różnych środowisk galaktycznych i obejmuje również współpracę między różnymi misjami teleskopów kosmicznych. Na przykład nadchodzący Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman NASA pomoże odkryć nowe szczegóły dotyczące właściwości ciemnej materii w różnych galaktykach dzięki swojej zdolności do przeszukiwania dużych obszarów nieba.

"Ten rodzaj badań jest długoterminową inwestycją i wymaga dużo cierpliwości," reflektował Vitral. "Możemy prowadzić tę naukę dzięki całemu planowaniu, które zostało przeprowadzone przez lata, aby faktycznie zebrać te dane. Wnioski, które zebraliśmy, są wynikiem pracy szerszej grupy badaczy, którzy pracowali nad tymi rzeczami przez lata."

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

Źródło: National Aeronautics and Space Administration