Astronomen die gegevens van NASA en de telescopen van de ESA (European Space Agency) gebruiken, hebben een nieuwe hemelkaart van het buitenste deel van onze melkweg vrijgegeven. Bekend als de galactische halo, dit gebied ligt buiten de wervelende spiraalarmen die de herkenbare centrale schijf van de Melkweg vormen en is dunbevolkt met sterren. Hoewel de halo grotendeels leeg lijkt, er wordt ook voorspeld dat het een enorm reservoir van donkere materie bevat, een mysterieuze en onzichtbare substantie waarvan gedacht wordt dat ze het grootste deel van alle massa in het universum uitmaakt.

De gegevens voor de nieuwe kaart zijn afkomstig van ESA's Gaia-missie en NASA's Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer, of NEOWISE, die van 2009 tot 2013 opereerde onder de naam WISE. De studie, geleid door astronomen van het Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian en vandaag gepubliceerd in Natuur , maakt gebruik van gegevens die het ruimtevaartuig tussen 2009 en 2018 heeft verzameld.

De nieuwe kaart laat zien hoe een klein sterrenstelsel genaamd de Grote Magelhaense Wolk (LMC) - zo genoemd omdat het de grootste van twee dwergstelsels is die in een baan om de Melkweg draaien - als een schip door het water door de galactische halo van de Melkweg is gevaren. zijn zwaartekracht creëert een kielzog in de sterren erachter. Het LMC bevindt zich ongeveer 160, 000 lichtjaar van de aarde, en is minder dan een kwart van de massa van de Melkweg. Hoewel de binnenste delen van de halo met een hoge mate van nauwkeurigheid in kaart zijn gebracht, dit is de eerste kaart die een soortgelijk beeld geeft van de buitenste regionen van de halo, waar het kielzog wordt gevonden - ongeveer 200, 000 lichtjaar tot 325, 000 lichtjaar van het galactische centrum. Eerdere studies wezen op het bestaan ​​van het kielzog, maar de all-sky-kaart bevestigt zijn aanwezigheid en biedt een gedetailleerd beeld van zijn vorm, maat, en locatie.

Deze verstoring in de halo biedt astronomen ook de mogelijkheid om iets te bestuderen dat ze niet direct kunnen waarnemen:donkere materie. Hoewel het niet uitstraalt, reflecteren, of licht absorberen, de zwaartekrachtsinvloed van donkere materie is overal in het heelal waargenomen. Men denkt dat het een steiger creëert waarop sterrenstelsels worden gebouwd, zodanig dat zonder, sterrenstelsels zouden uit elkaar vliegen terwijl ze ronddraaien. Donkere materie komt naar schatting vijf keer vaker voor in het universum dan alle materie die licht uitstraalt of ermee in wisselwerking staat. van sterren tot planeten tot gaswolken.

Hoewel er meerdere theorieën zijn over de aard van donkere materie, ze geven allemaal aan dat het aanwezig zou moeten zijn in de halo van de Melkweg. Als dat het geval is, terwijl de LMC door deze regio vaart, het zou ook een wake in de donkere materie moeten achterlaten. Het kielzog dat op de nieuwe sterrenkaart wordt waargenomen, wordt beschouwd als de omtrek van dit kielzog van donkere materie; de sterren zijn als bladeren op het oppervlak van deze onzichtbare oceaan, hun positie verschuift met de donkere materie.

De interactie tussen de donkere materie en de Grote Magelhaense Wolk heeft grote gevolgen voor onze melkweg. Terwijl de LMC om de Melkweg draait, de zwaartekracht van de donkere materie sleept de LMC mee en vertraagt ​​deze. Hierdoor zal de baan van het dwergstelsel steeds kleiner worden, totdat de melkweg over ongeveer 2 miljard jaar eindelijk in botsing komt met de Melkweg. Dit soort fusies zou een belangrijke motor kunnen zijn voor de groei van massieve sterrenstelsels in het heelal. In feite, astronomen denken dat de Melkweg ongeveer 10 miljard jaar geleden is samengesmolten met een ander klein sterrenstelsel.

"Dit beroven van de energie van een kleiner sterrenstelsel is niet alleen de reden waarom de LMC samensmelt met de Melkweg, maar ook waarom alle samensmeltingen van sterrenstelsels plaatsvinden, " zei Rohan Naidu, een afgestudeerde student astronomie aan de Harvard University en een co-auteur van het nieuwe artikel. "Het kielzog in onze kaart is een heel mooie bevestiging dat ons basisbeeld voor hoe sterrenstelsels samensmelten klopt!"

Een zeldzame kans

De auteurs van het artikel denken ook dat de nieuwe kaart - samen met aanvullende gegevens en theoretische analyses - een test kan bieden voor verschillende theorieën over de aard van donkere materie, zoals of het uit deeltjes bestaat, als gewone materie, en wat de eigenschappen van die deeltjes zijn.

"Je kunt je voorstellen dat het kielzog achter een boot anders zal zijn als de boot door water of door honing vaart, " zei co-auteur Charlie Conroy, een professor aan de Harvard University en astronoom bij het Center for Astrophysics. "In dit geval, de eigenschappen van het kielzog worden bepaald door welke donkere materie theorie we toepassen."

Conroy leidde het team dat de posities van meer dan 1 in kaart bracht. 300 sterren in de halo. De uitdaging ontstond door te proberen de exacte afstand van de aarde tot een groot deel van die sterren te meten:het is vaak onmogelijk om erachter te komen of een ster zwak en dichtbij of helder en ver weg is. Het team gebruikte gegevens van ESA's Gaia-missie, die de locatie van veel sterren aan de hemel geeft, maar de afstanden tot de sterren in de buitenste regionen van de Melkweg niet kan meten.

Na het identificeren van sterren die zich hoogstwaarschijnlijk in de halo bevonden (omdat ze zich niet duidelijk in ons melkwegstelsel of in de GMW bevonden), het team zocht naar sterren die behoren tot een klasse van reuzensterren met een specifieke lichtsignatuur die door NEOWISE kan worden gedetecteerd. Door de basiseigenschappen van de geselecteerde sterren te kennen, kon het team hun afstand tot de aarde berekenen en de nieuwe kaart maken. Het brengt een regio in kaart vanaf ongeveer 200, 000 lichtjaar van het centrum van de Melkweg, of over waar het kielzog van de LMC zou beginnen, en strekt zich uit over 125, 000 lichtjaar verder.

Conroy en zijn collega's werden geïnspireerd om op LMC's kielzog te jagen nadat ze hoorden over een team van astrofysici aan de Universiteit van Arizona in Tucson die computermodellen maken die voorspellen hoe donkere materie in de galactische halo eruit zou moeten zien. De twee groepen werkten samen aan de nieuwe studie. Een van de modellen van het Arizona-team, die in de nieuwe studie staat, voorspelde de algemene structuur en specifieke locatie van het sterrenkielzog dat op de nieuwe kaart wordt onthuld. Nadat de gegevens hadden bevestigd dat het model correct was, het team kon bevestigen waar andere onderzoeken ook naar hebben gesuggereerd:dat de LMC zich waarschijnlijk in zijn eerste baan rond de Melkweg bevindt. Als het kleinere sterrenstelsel al meerdere banen had gemaakt, de vorm en locatie van het kielzog zou aanzienlijk verschillen van wat is waargenomen. Astronomen denken dat de LMC gevormd is in dezelfde omgeving als de Melkweg en een ander nabijgelegen sterrenstelsel, M31, en bevond zich in een zeer lange eerste baan rond onze melkweg (ongeveer 13 miljard jaar). Zijn volgende baan zal veel korter zijn vanwege zijn interactie met de Melkweg.

"Het bevestigen van onze theoretische voorspelling met waarnemingsgegevens vertelt ons dat ons begrip van de interactie tussen deze twee sterrenstelsels, inclusief de donkere materie, op de goede weg is, " zei Nicolás Garavito-Camargo, promovendus in de astronomie van de Universiteit van Arizona, die het werk leidde naar het model dat in de krant werd gebruikt.

De nieuwe kaart biedt astronomen ook een zeldzame kans om de eigenschappen van de donkere materie (het fictieve water of honing) in ons eigen melkwegstelsel te testen. In de nieuwe studie Garavito-Camargo en collega's gebruikten een populaire theorie van donkere materie, koude donkere materie genaamd, die relatief goed past bij de waargenomen sterrenkaart. Nu voert het team van de Universiteit van Arizona simulaties uit die verschillende theorieën over donkere materie gebruiken, om te zien welke het beste overeenkomt met het zog waargenomen in de sterren.

"Het is een heel speciale reeks omstandigheden die samenkwamen om dit scenario te creëren waarmee we onze theorieën over donkere materie kunnen testen, " zei Gurtina Besla, een co-auteur van de studie en een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Arizona. "Maar die test kunnen we alleen realiseren met de combinatie van deze nieuwe kaart en de donkere materie-simulaties die we hebben gebouwd."