De kern van het sterrenstelsel bevat mogelijk minder donkere materie dan eerder werd gedacht

By | January 26, 2024

Dit artikel is beoordeeld in overeenstemming met het redactionele proces en de richtlijnen van Science X. De redactie heeft de volgende kenmerken benadrukt en tegelijkertijd de geloofwaardigheid van de inhoud gewaarborgd:

op feiten gecontroleerd

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

Proeflezen


Galactocentrische XY-vlakkaart van de 33.335 sterren die worden gebruikt om cirkelsnelheden te berekenen, uitgezet in bakken van 0,5 kpc. De vectoren vertegenwoordigen de gemiddelde snelheid van de sterren in elk gebied, kleurgecodeerd door het aantal sterren in elk gebied. Credit: Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae034

× dichtbij


Galactocentrische XY-vlakkaart van de 33.335 sterren die worden gebruikt om cirkelsnelheden te berekenen, uitgezet in bakken van 0,5 kpc. De vectoren vertegenwoordigen de gemiddelde snelheid van de sterren in elk gebied, kleurgecodeerd door het aantal sterren in elk gebied. Credit: Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae034

Door de snelheid van sterren in de Melkweg te meten, hebben MIT-natuurkundigen ontdekt dat sterren verder weg in de galactische schijf langzamer bewegen dan verwacht vergeleken met sterren dichter bij het centrum van de Melkweg. De resultaten brengen een verrassende mogelijkheid naar voren: de zwaartekrachtkern van de Melkweg zou lichter van massa kunnen zijn en minder donkere materie bevatten dan eerder werd gedacht.

De nieuwe resultaten zijn gebaseerd op de analyse van gegevens van de Gaia- en APOGEE-instrumenten door het team. Gaia is een in een baan om de aarde draaiende ruimtetelescoop die de precieze locatie, afstand en beweging van meer dan een miljard sterren in de Melkweg volgt, terwijl APOGEE een onderzoek op de grond is.

De natuurkundigen analyseerden Gaia’s metingen van meer dan 33.000 sterren, waaronder enkele van de meest verre sterren van het sterrenstelsel, en bepaalden de ‘omloopsnelheid’ van elke ster, dat wil zeggen hoe snel een ster in de galactische schijf draait, gegeven de afstand van de ster tot het centrum van de Melkweg. het sterrenstelsel .

De wetenschappers hebben de snelheid van elke ster uitgezet tegen zijn afstand om een ​​rotatiecurve te creëren – een standaarddiagram in de astronomie dat weergeeft hoe snel materie roteert op een bepaalde afstand van het centrum van een sterrenstelsel. De vorm van deze curve kan wetenschappers een idee geven van hoeveel zichtbare en donkere materie er over een sterrenstelsel verdeeld is.

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

Het team vertaalde de nieuwe rotatiecurve in een verdeling van donkere materie die de vertraging van de buitenste sterren zou kunnen verklaren, en ontdekte dat de resulterende kaart een helderdere galactische kern onthulde dan verwacht. Dat betekent dat het centrum van de Melkweg minder dicht zou kunnen zijn en minder donkere materie zou kunnen bevatten dan wetenschappers dachten.

“Dit resultaat is in tegenspraak met andere metingen”, zegt Necib. “Er is ergens iets verdachts aan de hand, en het is heel spannend om erachter te komen waar het is om echt een samenhangend beeld van de Melkweg te krijgen.”

Het team rapporteert over zijn resultaten in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society. De MIT-coauteurs van de studie, waaronder Necib, zijn eerste auteur Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers en Anna Frebel.


Een onderzoek door MIT-natuurkundigen suggereert dat de zwaartekrachtkern van de Melkweg mogelijk lichter van massa is en minder donkere materie bevat dan eerder werd gedacht. Beeldcredits: ESA/Gaia/DPAC, uitgegeven door MIT News

“In de leegte”

Zoals de meeste sterrenstelsels in het heelal draait de Melkweg rond als water in een draaikolk, en de rotatie ervan wordt gedeeltelijk aangedreven door alle materie die in de schijf ronddraait. In de jaren zeventig was astronoom Vera Rubin de eerste die observeerde dat sterrenstelsels roteren op een manier die niet alleen door zichtbare materie kan worden aangedreven.

Zij en haar collega’s maten de cirkelsnelheden van sterren en ontdekten dat de resulterende rotatiecurven verrassend vlak waren. Dit betekent dat de snelheid van sterren in een sterrenstelsel hetzelfde bleef en niet afnam met de afstand. Ze concludeerden dat een ander soort onzichtbare materie op verre sterren moet inwerken om ze een extra impuls te geven.

Rubins werk op het gebied van rotatiecurven was een van de eerste sterke bewijzen voor het bestaan ​​van donkere materie – een onzichtbare, onbekende entiteit die naar schatting groter is 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 verder ondersteunt. Meer recentelijk hebben astronomen geprobeerd de rotatiecurve van ons eigen sterrenstelsel in kaart te brengen met behulp van sterren.

‘Het blijkt dat het moeilijker is om een ​​rotatiecurve te meten als je in een sterrenstelsel zit’, merkt Ou op.

In 2019 werkte Anna-Christina Eilers, een assistent-professor natuurkunde aan het MIT, aan het in kaart brengen van de rotatiecurve van de Melkweg met behulp van een eerdere dataset van de Gaia-satelliet. Deze gegevenspublicatie omvatte sterren tot 25 kiloparsec, oftewel ongeveer 81.000 lichtjaar, van het centrum van de melkweg.

Op basis van deze gegevens constateerde Eilers dat de rotatiecurve van de Melkweg vlak leek, zij het met een lichte daling, vergelijkbaar met die van andere verre sterrenstelsels, en concludeerde dat het sterrenstelsel waarschijnlijk een hoge dichtheid aan donkere materie in zijn kern had. Maar dat beeld veranderde nu toen de telescoop een nieuwe reeks gegevens vrijgaf, deze keer over sterren tot op 30 kiloparsec afstand – bijna 100.000 lichtjaar verwijderd van de kern van het sterrenstelsel.

‘Op deze afstanden bevinden we ons precies aan de rand van het sterrenstelsel, waar de sterren beginnen te verdwijnen’, zegt Frebel. “Niemand had bestudeerd hoe materie beweegt in dit buitenste sterrenstelsel, waar we ons feitelijk in de leegte bevinden.”

Vreemde spanning

Frebel, Necib, Ou en Eilers profiteerden van de nieuwe gegevens van Gaia en probeerden de initiële rotatiecurve van Eilers uit te breiden. Om hun analyse te verfijnen heeft het team de gegevens van Gaia aangevuld met metingen van APOGEE – het Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, dat uiterst 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 relaties te leren, wat ons vervolgens betere schattingen kan geven van de afstand van een ster’, legt Ou uit. “Hiermee kunnen we grotere afstanden bereiken.”

Het team bepaalde de precieze afstanden van ruim 33.000 sterren en gebruikte deze metingen om een ​​driedimensionale kaart te maken van de sterren verspreid over de Melkweg tot een grootte van ongeveer 30 kiloparsec. Vervolgens plaatsten ze deze kaart in een cirkelvormig snelheidsmodel om te simuleren hoe snel een enkele ster moet bewegen, gegeven 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 van de Melkweg te creëren.

“Dat is waar de gekte om de hoek kwam kijken”, zegt Necib.

In plaats van een lichte daling waar te nemen, zoals bij eerdere rotatiecurven, ontdekte het team dat de nieuwe curve aan het uiteinde meer daalde dan verwacht. Deze onverwachte afname suggereert dat, hoewel sterren zich tot een bepaalde afstand net zo snel voortbewegen, ze op grotere afstanden plotseling vertragen. Sterren aan de rand lijken langzamer te bewegen dan verwacht.

Toen het team deze rotatiecurve omrekende naar de hoeveelheid donkere materie die in het sterrenstelsel aanwezig moet zijn, ontdekten ze dat de kern van de Melkweg mogelijk minder donkere materie bevat dan eerder werd gedacht.

“Dit resultaat is in tegenspraak met andere metingen”, zegt Necib. “Het werkelijk begrijpen van dit resultaat zal diepgaande gevolgen hebben. Dit zou kunnen leiden tot meer verborgen massa’s net buiten de rand van de galactische schijf of tot een herbeoordeling van de evenwichtstoestand van onze Melkweg. We proberen deze antwoorden te vinden in aankomend werk met behulp van snelle experimenten.” resolutiesimulaties van Melkwegachtige sterrenstelsels.

Meer informatie:
Xiaowei Ou et al., Het donkere materieprofiel van de Melkweg afgeleid van de cirkelvormige snelheidscurve, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae034

Tijdschriftinformatie:
Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *