Glinsterende draden van sterren rond de Melkweg kunnen antwoorden bevatten op een van onze grootste vragen over het universum:wat is donkere materie? Met beelden gemaakt door zes verschillende kleurenfilters gemonteerd op de grootste camera ooit gebouwd voor astronomie en astrofysica, zal de komende Legacy Survey of Space and Time van Vera C. Rubin Observatory nooit eerder geziene sterrenstromen rond de Melkweg onthullen – en de veelbetekenende effecten van hun interacties met donkere materie.

Net zo fascinerend als rivieren die glinsteren in het zonlicht, tekenen sterrenstromen sprankelende bogen door en rond ons eigen sterrenstelsel:de Melkweg. Sterstromen bestaan ​​uit sterren die oorspronkelijk in bolvormige sterrenhopen of dwergstelsels zaten, maar die door zwaartekrachtsinteracties met ons sterrenstelsel zijn verstoord en in lange, slepende lijnen zijn getrokken.

Deze dunne sporen van sterren vertonen vaak tekenen van verstoring, en wetenschappers vermoeden dat in veel gevallen donkere materie de boosdoener is. Het Vera C. Rubin Observatorium zal binnenkort een schat aan gegevens opleveren om sterrenstromen, donkere materie en hun complexe interacties te belichten.

Donkere materie maakt 27% van het heelal uit, maar kan niet rechtstreeks worden waargenomen, en wetenschappers weten momenteel niet precies wat het is. Om meer te weten te komen, gebruiken ze verschillende indirecte methoden om de aard ervan te onderzoeken. Sommige methoden, zoals zwakke zwaartekrachtlenzen, brengen de verspreiding van donkere materie op grote schaal over het universum in kaart. Door sterrenstromen te observeren kunnen wetenschappers een ander aspect van donkere materie onderzoeken, omdat ze de vingerafdruk van de zwaartekrachteffecten van donkere materie op kleine schaal laten zien.

Het Vera C. Rubin Observatorium, gevestigd in Chili, zal een 8,4-meter telescoop uitgerust met de grootste digitale camera ter wereld gebruiken om vanaf eind 2025 een 10-jarig onderzoek van de gehele hemel op het zuidelijk halfrond uit te voeren. De resulterende gegevens, met afbeeldingen genomen door zes verschillende kleurenfilters, zal het voor wetenschappers gemakkelijker dan ooit worden om sterrenstromen binnen en buiten de Melkweg te isoleren en ze te onderzoeken op tekenen van verstoring van donkere materie.

"Ik ben erg enthousiast over het gebruik van stellaire stromen om meer te leren over donkere materie", zegt Nora Shipp, een postdoctoraal onderzoeker aan de Carnegie Mellon University en medeoprichter van de Dark Matter Working Group in de Rubin Observatory/LSST Dark Energy Science Collaboration. "Met Rubin Observatory kunnen we stellaire stromen gebruiken om erachter te komen hoe donkere materie in onze Melkweg is verdeeld, van de grootste schaal tot zeer kleine schaal."

Rubin Observatory zal eind 2025 beginnen met wetenschappelijke activiteiten. Rubin Observatory is een programma van NSF NOIRLAb, dat, samen met SLAC National Accelerator Laboratory, Rubin gezamenlijk zal exploiteren.

Er zijn aanwijzingen dat de Melkweg wordt omringd door een bolvormige halo van donkere materie, bestaande uit kleinere klontjes donkere materie. Deze klonten hebben een wisselwerking met andere structuren, waardoor hun zwaartekrachtdynamiek wordt verstoord en hun waargenomen uiterlijk verandert. In het geval van sterstromen verschijnen de resultaten van interacties met donkere materie als knikken of gaten in de sterrensporen.

De ongelooflijk gedetailleerde beelden van het Rubin Observatory zullen het voor wetenschappers mogelijk maken om zeer subtiele onregelmatigheden in stellaire stromen te identificeren en te onderzoeken en zo de eigenschappen af ​​te leiden van de klonten van donkere materie met een lage massa die deze klonten veroorzaakten – en zelfs te beperken uit welk type deeltjes deze klonten bestaan. .

"Door sterrenstromen te observeren, kunnen we indirecte metingen doen van de donkere materie in de Melkweg die samenklontert tot massa's die lager zijn dan ooit tevoren, wat ons echt goede beperkingen geeft aan de deeltjeseigenschappen van donkere materie", zegt Shipp.

Stellaire stromen in de buitenste gebieden van de Melkweg zijn vooral goede kandidaten voor het waarnemen van de effecten van donkere materie, omdat het minder waarschijnlijk is dat ze beïnvloed zijn door interacties met andere delen van de Melkweg, wat het beeld kan verwarren. Het Rubin Observatorium zal stellaire stromen kunnen detecteren op een afstand van ongeveer vijf keer verder dan we nu kunnen zien, waardoor wetenschappers een geheel nieuwe populatie van sterstromen in de buitenste gebieden van de Melkweg kunnen ontdekken en observeren.

Het is lastig om sterrenstromen te onderscheiden van de vele andere sterren in de Melkweg. Om stellaire stromen te isoleren, zoeken wetenschappers naar sterren met specifieke eigenschappen die erop wijzen dat ze waarschijnlijk bij elkaar hoorden als bolvormige sterrenhopen of dwergstelsels. Vervolgens analyseren ze de beweging of andere eigenschappen van deze sterren om de sterren te identificeren die als een stroom met elkaar verbonden zijn.

"Stellaire stromen zijn als parelsnoeren, waarvan de sterren het pad van de baan van het systeem volgen en een gedeelde geschiedenis hebben", zegt Jaclyn Jensen, een Ph.D. kandidaat aan de Universiteit van Victoria die van plan is Rubin/LSST-gegevens te gebruiken voor haar onderzoek naar de voorlopers van stellaire stromen en hun rol in de vorming van de Melkweg.

‘Door de eigenschappen van deze sterren te gebruiken, kunnen we informatie over hun oorsprong bepalen en wat voor soort interacties de stroom mogelijk heeft gehad. Als we een parelsnoer met enkele verspreide parels in de buurt vinden, kunnen we afleiden dat er mogelijk iets is gebeurd dat de sterrenstroom heeft verbroken. tekenreeks."

De 3200-megapixel LSST-camera van Rubin Observatory is uitgerust met zes kleurenfilters, waaronder, met name voor sterrenstroomwetenschappers als Shipp en Jensen, een ultravioletfilter. Het ultraviolette filter van Rubin zal cruciale informatie opleveren over het blauw-ultraviolette uiteinde van het lichtspectrum, waardoor wetenschappers de subtiele verschillen kunnen onderscheiden en de sterren in een stroom kunnen ontwarren van gelijksoortige sterren in de Melkweg.

Over het geheel genomen zal Rubin wetenschappers voorzien van duizenden diepe beelden die door alle zes de filters zijn gemaakt, waardoor ze een duidelijker beeld krijgen van sterrenstromen dan ooit tevoren.

De lawine aan gegevens die Rubin zal aanleveren zal ook nieuwe instrumenten en methoden inspireren voor het isoleren van sterrenstromen. Zoals Shipp opmerkt:"Op dit moment is het een arbeidsintensief proces om potentiële stromen met het oog te onderscheiden. De grote hoeveelheid gegevens van Rubin biedt een opwindende kans om nieuwe, meer geautomatiseerde manieren te bedenken om stromen te identificeren."

Aangeboden door de National Science Foundation