Net zoals de zon planeten heeft en de planeten manen, onze melkweg heeft satellietstelsels, en sommige daarvan hebben misschien hun eigen kleinere satellietstelsels. te weten, de Grote Magelhaense Wolk (LMC), een relatief groot satellietstelsel zichtbaar vanaf het zuidelijk halfrond, wordt verondersteld ten minste zes van zijn eigen satellietstelsels mee te hebben genomen toen het voor het eerst de Melkweg naderde, gebaseerd op recente metingen van de Gaia-missie van de European Space Agency.

Astrofysici geloven dat donkere materie verantwoordelijk is voor een groot deel van die structuur, en nu hebben onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Dark Energy Survey gebruik gemaakt van observaties van zwakke sterrenstelsels rond de Melkweg om strengere beperkingen op te leggen aan de verbinding tussen de grootte en structuur van sterrenstelsels en de halo's van donkere materie die hen omringen . Tegelijkertijd, ze hebben meer bewijs gevonden voor het bestaan ​​van LMC-satellietstelsels en hebben een nieuwe voorspelling gedaan:als de modellen van de wetenschappers correct zijn, de Melkweg zou nog eens 150 of meer zeer zwakke satellietstelsels moeten hebben die in afwachting zijn van ontdekking door projecten van de volgende generatie, zoals de Legacy Survey of Space and Time van het Vera C. Rubin Observatory.

De nieuwe studie, aanstaande in de Astrofysisch tijdschrift en beschikbaar als preprint hier, maakt deel uit van een grotere inspanning om te begrijpen hoe donkere materie werkt op schalen die kleiner zijn dan onze melkweg, zei Ethan Nadler, de eerste auteur van de studie en een afgestudeerde student aan het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) en Stanford University.

"We weten sommige dingen over donkere materie heel goed - hoeveel donkere materie is er, hoe clustert het - maar al deze uitspraken worden gekwalificeerd door te zeggen:Ja, dat is hoe het zich gedraagt ​​op schalen die groter zijn dan de grootte van onze lokale groep sterrenstelsels, ' zei Nadler. 'En dan is de vraag, werkt dat op de kleinste schalen die we kunnen meten?"

Het licht van sterrenstelsels op donkere materie

Astronomen weten al lang dat de Melkweg satellietstelsels heeft, inclusief de Grote Magelhaense Wolk, die vanaf het zuidelijk halfrond met het blote oog te zien is, maar men dacht dat het aantal ongeveer een dozijn was tot rond het jaar 2000. Sindsdien het aantal waargenomen satellietstelsels is dramatisch gestegen. Dankzij de Sloan Digital Sky Survey en recentere ontdekkingen door onder meer de Dark Energy Survey (DES), het aantal bekende satellietstelsels is gestegen tot ongeveer 60.

Zulke ontdekkingen zijn altijd spannend, maar wat misschien wel het meest opwindend is, is wat de gegevens ons kunnen vertellen over de kosmos. "Voor de eerste keer, we kunnen zoeken naar deze satellietstelsels over ongeveer driekwart van de hemel, en dat is heel belangrijk voor verschillende manieren om te leren over donkere materie en de vorming van sterrenstelsels, " zei Risa Wechsler, directeur van KIPAC. Vorig jaar, bijvoorbeeld, Wechsler, Nadler en collega's gebruikten gegevens over satellietstelsels in combinatie met computersimulaties om veel strakkere limieten te stellen aan de interacties van donkere materie met gewone materie.

Nutsvoorzieningen, Wechsler, Nadler en het DES-team gebruiken gegevens van een uitgebreide zoekopdracht over het grootste deel van de lucht om verschillende vragen te stellen, inclusief hoeveel donkere materie er nodig is om een ​​sterrenstelsel te vormen, hoeveel satellietstelsels we zouden verwachten te vinden rond de Melkweg en of sterrenstelsels hun eigen satellieten in een baan rond de onze kunnen brengen - een belangrijke voorspelling van het meest populaire model van donkere materie.

Hints van galactische hiërarchie

Het antwoord op die laatste vraag lijkt een volmondig 'ja' te zijn.

De mogelijkheid om een ​​hiërarchie van satellietstelsels te detecteren ontstond enkele jaren geleden toen DES meer satellietstelsels in de buurt van de Grote Magelhaense Wolk ontdekte dan ze hadden verwacht als die satellieten willekeurig door de lucht waren verspreid. Die observaties zijn bijzonder interessant, Nadler zei, in het licht van de Gaia-metingen, wat aangaf dat zes van deze satellietstelsels met de LMC in de Melkweg vielen.

Om de satellieten van het LMC grondiger te bestuderen, Nadler en team analyseerden computersimulaties van miljoenen mogelijke universums. Die simulaties, oorspronkelijk gerund door Yao-Yuan Mao, een voormalige afgestudeerde student van Wechsler die nu aan de Rutgers University zit, modelleren van de vorming van donkere materiestructuur die de Melkweg doordringt, inclusief details zoals kleinere klonten van donkere materie in de Melkweg die naar verwachting satellietstelsels zullen herbergen. Om donkere materie te verbinden met de vorming van sterrenstelsels, de onderzoekers gebruikten een flexibel model waarmee ze rekening kunnen houden met onzekerheden in het huidige begrip van de vorming van sterrenstelsels, inclusief de relatie tussen de helderheid van sterrenstelsels en de massa donkere materie klonten waarin ze zich vormen.

Een inspanning onder leiding van de anderen in het DES-team, waaronder oud-KIPAC-studenten Alex Drlica-Wagner, een Wilson Fellow bij Fermilab en een assistent-professor astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Chicago, en Keith Bechtol, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, en hun medewerkers produceerden de cruciale laatste stap:een model waarvan satellietstelsels het meest waarschijnlijk worden gezien door huidige onderzoeken, gegeven waar ze zich in de lucht bevinden, evenals hun helderheid, grootte en afstand.

Die componenten in de hand, het team voerde hun model uit met een breed scala aan parameters en zocht naar simulaties waarin LMC-achtige objecten in de zwaartekracht van een Melkweg-achtig sterrenstelsel vielen. Door die gevallen te vergelijken met galactische waarnemingen, ze konden een reeks astrofysische parameters afleiden, inclusief hoeveel satellietstelsels samen met de LMC zouden moeten zijn getagd. De resultaten, Nadler zei, waren consistent met Gaia-waarnemingen:er zouden momenteel zes satellietstelsels moeten worden gedetecteerd in de buurt van de LMC, bewegen met ongeveer de juiste snelheden en op ongeveer dezelfde plaatsen als astronomen eerder hadden waargenomen. De simulaties suggereerden ook dat de LMC ongeveer 2,2 miljard jaar geleden voor het eerst de Melkweg naderde, consistent met zeer nauwkeurige metingen van de beweging van de LMC van de Hubble-ruimtetelescoop.

Sterrenstelsels nog ongezien

Naast de bevindingen van het LMC, het team stelde ook grenzen aan de verbinding tussen halo's van donkere materie en de structuur van sterrenstelsels. Bijvoorbeeld, in simulaties die het meest overeenkwamen met de geschiedenis van de Melkweg en de LMC, de kleinste sterrenstelsels die astronomen momenteel kunnen waarnemen, zouden sterren moeten hebben met een gecombineerde massa van ongeveer honderd zonnen, en ongeveer een miljoen keer zoveel donkere materie. Volgens een extrapolatie van het model, de zwakste sterrenstelsels die ooit konden worden waargenomen, zouden zich in halo's kunnen vormen die tot honderd keer minder zwaar zijn dan dat.

En er kunnen nog meer ontdekkingen volgen:als de simulaties correct zijn, Nadler zei, er zweven nog ongeveer 100 satellietstelsels - meer dan het dubbele van het aantal dat al is ontdekt - rond de Melkweg. De ontdekking van die sterrenstelsels zou het model van de onderzoekers van de verbanden tussen donkere materie en de vorming van sterrenstelsels helpen bevestigen, hij zei, en waarschijnlijk strengere beperkingen opleggen aan de aard van donkere materie zelf.

Het onderzoek was een gezamenlijke inspanning binnen de Dark Energy Survey, onder leiding van de Melkwegwerkgroep, met substantiële bijdragen van juniorleden, waaronder Sidney Mau, een student aan de Universiteit van Chicago, en Mitch McNanna, een afgestudeerde student aan UW-Madison. Het onderzoek werd ondersteund door een National Science Foundation Graduate Fellowship, door het Department of Energy's Office of Science via SLAC, en door Stanford University.