In twee afzonderlijke onderzoeken met NASA's aankomende James Webb Space Telescope, een team van astronomen zal metgezellen van dwergsterren naar de Melkweg en het nabijgelegen Andromeda-sterrenstelsel observeren. Door deze kleine metgezellen te bestuderen, kunnen wetenschappers meer te weten komen over de vorming van sterrenstelsels en de eigenschappen van donkere materie, een mysterieuze substantie waarvan wordt aangenomen dat deze ongeveer 85% van de materie in het universum uitmaakt.

In de eerste studie, het team zal kennis opdoen over donkere materie door de bewegingen van sterren in twee dwerggenoten van de Melkweg te meten. In de tweede studie ze zullen de bewegingen van vier dwergstelsels rond onze dichtstbijzijnde grote galactische buur onderzoeken, het Andromeda-sterrenstelsel. Dit zal helpen bepalen of sommige van Andromeda's satellietstelsels in een plat vlak draaien, zoals de planeten rond onze zon. Als ze dat doen, dat zou belangrijke implicaties hebben voor het begrijpen van de vorming van sterrenstelsels. De hoofdonderzoeker van beide programma's is Roeland van der Marel van het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland.

Sterrenbewegingen observeren in metgezellen van dwergstelsels aan de Melkweg

De dichtstbijzijnde sterrenstelsels bij onze eigen Melkweg zijn de bijbehorende dwergstelsels, die veel kleiner zijn dan de Melkweg. Van der Marel en zijn team zijn van plan om de bewegingen van sterren in twee van deze dwergstelsels te bestuderen, Draco en beeldhouwer. De banen van de sterren worden bepaald door de zwaartekracht die voortkomt uit de donkere materie in elk sterrenstelsel. Door te bestuderen hoe de sterren bewegen, de onderzoekers kunnen bepalen hoe de donkere materie in deze sterrenstelsels is verdeeld.

"Hoe structuren in het universum zijn gevormd, hangt af van de eigenschappen van de donkere materie die het grootste deel van de massa in het universum omvat, ", legde Van der Marel uit. "Dus we weten dat er donkere materie is, maar we weten niet waaruit deze donkere materie bestaat. We weten gewoon dat er iets in het universum is dat zwaartekracht heeft en aan dingen trekt, maar we weten niet echt wat het is."

Het team zal de verdeling van donkere materie in de centra van de dwergsterrenstelsels bestuderen om de temperatuureigenschappen van dit mysterieuze fenomeen te bepalen. Als donkere materie "koud, " zijn dichtheid zal zeer hoog zijn nabij de centra van de sterrenstelsels. Als donkere materie "warm is, " het zal homogener zijn in het hele gebied dat de galactische centra nadert.

Tegelijkertijd bestudeert Webb's Near Infrared Camera (NIRCam) de centra van Draco en Sculptor, een ander instrument, de Near Infrared Imager en Slitless Spectrograph (NIRISS), zal de rand van de dwergstelsels onderzoeken. "Deze gelijktijdige waarnemingen zullen enig inzicht geven in hoe sterren zich verschillend verplaatsen in de buurt van het centrum en de rand van de dwergstelsels, "zei mede-onderzoeker Tony Sohn van STScI. "Ze zullen ook twee onafhankelijke metingen van hetzelfde sterrenstelsel toestaan, om te controleren op systematische of instrumentale effecten."

Omdat Webb ongeveer zes keer het lichtverzamelgebied van NASA's Hubble-ruimtetelescoop heeft, het team kan de bewegingen van sterren meten die veel zwakker zijn dan wat Hubble kan zien. Hoe meer sterren in een studie worden opgenomen, hoe nauwkeuriger het team de donkere materie kan modelleren die hun bewegingen beïnvloedt.

Het bestuderen van de beweging van metgezellen van dwergstelsels bij Andromeda

Het dichtstbijzijnde grote buurstelsel van onze Melkweg, Andromeda heeft talloze metgezellen van dwergsterrenstelsels, net als de Melkweg. Van der Marel en zijn team zijn van plan om te bestuderen hoe vier van die dwergstelsels rond Andromeda bewegen, om te bepalen of ze zijn gegroepeerd in een plat vlak in de ruimte, of dat ze zich in alle richtingen door Andromeda bewegen.

In tegenstelling tot het eerste observatieprogramma, het team probeert niet te meten hoe sterren in de dwergstelsels bewegen. In dit onderzoek, ze proberen vast te stellen hoe de dwergstelsels als geheel rond Andromeda bewegen. Dit zal inzicht verschaffen in het proces waarbij grote sterrenstelsels worden gevormd door aanwas en accumulatie van kleinere sterrenstelsels, en hoe dat precies werkt.

Bij de meeste modellen, dwergstelsels die grotere sterrenstelsels omringen, zullen naar verwachting niet in een vlak liggen. Typisch, wetenschappers zouden verwachten dat dwergstelsels op willekeurige manieren rond grotere sterrenstelsels zouden vliegen. Langzaam, deze dwergmetgezellen zouden energie verliezen en in het grotere sterrenstelsel terechtkomen, die nog groter zou worden.

Echter, voor zowel de Melkweg als Andromeda, verschillende studies hebben gesuggereerd dat ten minste een deel van de dwergstelsels in een vlak ligt, en kan zelfs in dat vlak ronddraaien. Een van de manieren om te bepalen of dat waar is, is door hun driedimensionale bewegingen te meten. Als de bewegingen werkelijk in het vlak zijn, dat zou erop wijzen dat de dwergsterrenstelsels in een vliegtuig zullen blijven. Maar als de begeleidende dwergen in een vlak lijken te zijn, maar hun bewegingen in alle richtingen zijn, dat zou duiden op een toevallige afstemming en niet op een langdurige structuur.

Als de dwergsterrenstelsels in een vlak staan, dat kan een van meerdere dingen betekenen. Het kan zijn dat een flink deel van de dwergmetgezellen als een enkele groep in een baan rond Andromeda is gevallen. Als dat het geval zou zijn, de dwergen zouden "herinneren" dat ze allemaal samen vielen, en ze zouden nu vergelijkbare dynamische eigenschappen vertonen.

Een andere mogelijkheid is dat de dwergstelsels van Andromeda zijn gevormd als zogenaamde 'getijdendwergstelsels'. Deze door zwaartekracht gebonden verzamelingen van gas en sterren vormen zich tijdens fusies of interacties tussen grote spiraalstelsels. Ze zijn zo massief als dwergstelsels, maar worden niet gedomineerd door donkere materie, zoals wetenschappers denken dat de meeste dwergsterrenstelsels om ons heen zijn. Het is mogelijk dat een samensmelting van twee grote sterrenstelsels met veel gas enkele dwergstelsels kan vormen die eindigen in een enkele vlakke structuur, maar dat zou ongebruikelijk zijn, omdat wetenschappers niet denken dat getijde-dwergstelsels het overheersende type dwergstelsel in het universum zijn. Van dwergstelsels is doorgaans bekend dat ze zich vormen in wolken van donkere materie, halo's genaamd.

Beide gevallen kunnen betekenen dat de vorming van sterrenstelsels ingewikkelder kan zijn dan onderzoekers soms denken. Beide zouden extra beperkingen opleveren voor wetenschappers die theoretische modellen voor de vorming van sterrenstelsels ontwikkelen.

Webb's extreme nauwkeurigheid en precisie

In beide programma's het team zal Webb tot het uiterste drijven in termen van nauwkeurigheid en precisie. "Het is een heel lastige situatie, omdat we eigenlijk heel kleine bewegingen willen meten, " legt mede-onderzoeker Andrea Bellini van STScI uit. "De nauwkeurigheid die we willen bereiken is als het meten van iets dat een paar centimeter per jaar beweegt op het oppervlak van de maan, gezien vanaf de aarde."

Beide onderzoeken zijn programma's met gegarandeerde tijdwaarnemingen (GTO) die zijn toegewezen aan het team van de Webb Telescope Scientist, Matte Berg. Hij is ook voorzitter van de Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), hoofdkantoor in Washington, gelijkstroom

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners, ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.