Ένα απόκοσμο ποτάμι άστρων που τυλίγεται γύρω από έναν αμυδρό γαλαξία σε απόσταση 115 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη προσφέρει στους αστρονόμους έναν σπάνιο νέο τρόπο για να ανιχνεύσουν ένα από τα πιο… δυσεύρετα συστατικά του Σύμπαντος: τη σκοτεινή ύλη.
Η σκοτεινή ύλη είναι μια αόρατη μορφή ύλης που δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως. Αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο Σύμπαν και η παρουσία της γίνεται αντιληπτή μόνο από τη βαρυτική της επίδραση πάνω στα ορατά άστρα και τους γαλαξίες. Αυτή η αστρική δομή περιβάλλει τον UGC 9050-Dw1, έναν υπερδιάχυτο γαλαξία που βρίσκεται περίπου 115 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη.
Ένας υπερδιάχυτος γαλαξίας είναι ένας τύπος νανού γαλαξία με τεράστιο μέγεθος αλλά εξαιρετικά χαμηλή φωτεινότητα. Ενώ έχει μέγεθος παρόμοιο με τον δικό μας γαλαξία περιέχει μόλις το 1% των άστρων του γαλαξία μας με αποτέλεσμα να μοιάζει με μια αχνή, σχεδόν αόρατη κηλίδα στον ουρανό.
Οι ερευνητές λένε ότι αυτό που εντόπισαν είναι το πρώτο γνωστό αστρικό ρεύμα σφαιρωτού σμήνους που έχει εντοπιστεί σε έναν άλλο γαλαξία, επεκτείνοντας μια ισχυρή τεχνική μελέτης της βαρύτητας και της σκοτεινής ύλης πολύ πέρα από τη δική μας γαλαξιακή γειτονιά.
Η ανακάλυψη που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «Nature», προέρχεται από μια διεθνή ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής την Τζούλι Κίελ Χολμ από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης και την Σάρα Πίρσον από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας.
Αυτό που καθιστά την ανακάλυψη ιδιαίτερα σημαντική είναι ότι το ρεύμα δεν αποτελεί απλώς μια συλλογή εκτοπισμένων άστρων. Το σχήμα του διατηρεί πληροφορίες για το βαρυτικό περιβάλλον μέσα από το οποίο έχουν κινηθεί αυτά τα άστρα, προσφέροντας ουσιαστικά στους αστρονόμους έναν ορατό ανιχνευτή της κατά τα άλλα αόρατης σκοτεινής ύλης.
«Τα άστρα σε ένα αστρικό ρεύμα κινούνται όλα περίπου στην ίδια τροχιά και αυτή η τροχιά διαμορφώνεται από τη βαρύτητα του γαλαξία. Μοντελοποιώντας αυτή τη βαρύτητα, μπορούμε να εκτιμήσουμε τη συνολική μάζα του γαλαξία. Γνωρίζουμε ήδη περίπου πόση από αυτή τη μάζα προέρχεται από ορατή ύλη, όπως τα άστρα, επομένως το υπόλοιπο πρέπει να είναι σκοτεινή ύλη» αναφέρει η Τζίτσκε Στάρκενμπουργκ επίκουρη καθηγήτρια έρευνας στο Κέντρο Διεπιστημονικής Εξερεύνησης και Αστροφυσικής Έρευνας στο αμερικανικό Πανεπιστημίο Northwestern η οποία ειδικεύεται στην εξωγαλαξιακή αστρονομία.
Πώς τα αστρικά σμήνη μετατρέπονται σε αστρικά ρεύματα
Τα σφαιρωτά σμήνη είναι συμπαγείς, βαρυτικά δεμένες ομάδες που περιέχουν μεγάλο αριθμό άστρων. Ωστόσο, δεν είναι άτρωτα στη βαρύτητα των γαλαξιών γύρω από τους οποίους περιφέρονται.
Με την πάροδο του χρόνου, ένας γαλαξίας-ξενιστής μπορεί να αποσπάσει άστρα από ένα σμήνος. Τα άστρα που διαφεύγουν τείνουν να παραμένουν κοντά στην τροχιά του σμήνους, αντί να διασκορπίζονται προς όλες τις κατευθύνσεις, και σταδιακά σχηματίζουν στενά ρεύματα που εκτείνονται μπροστά και πίσω από το σμήνος. Τέτοιες δομές μπορούν να επιβιώσουν για δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτή η οργανωμένη κίνηση είναι που κάνει τα αστρικά ρεύματα τόσο χρήσιμα για την επιστήμη. Επειδή οι τροχιές τους επηρεάζονται από το βαρυτικό πεδίο ενός γαλαξία, το σχήμα τους μπορεί να αποκαλύψει τον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται η μάζα, συμπεριλαμβανομένης της μάζας που δεν είναι άμεσα ορατή.
Οι αστρονόμοι έχουν εντοπίσει δεκάδες ρεύματα σφαιρωτών σμηνών στο γαλαξία μας. Η εύρεση μιας αντίστοιχης δομής γύρω από έναν άλλο γαλαξία ήταν πολύ δυσκολότερη επειδή τα μακρινά ρεύματα έχουν εξαιρετικά χαμηλή επιφανειακή φωτεινότητα. Καθώς οι ερευνητές εξέταζαν δημοσιευμένες εικόνες του γαλαξία UGC 9050-Dw1 παρατήρησαν ένα στενό, καμπυλωτό χαρακτηριστικό που έμοιαζε εντυπωσιακά με αστρικό ρεύμα.
Η διάχυτη φύση του γαλαξία βοήθησε να καταστεί δυνατή η ανακάλυψη. Οι υπερ-διάχυτοι γαλαξίες περιέχουν σχετικά λίγα ορατά άστρα, τα οποία είναι κατανεμημένα σε μεγάλη έκταση. Αυτό δημιουργεί ένα αμυδρό υπόβαθρο, πάνω στο οποίο μπορεί να ξεχωρίσει ένα εξαιρετικά αχνό ρεύμα.
Ο UGC 9050-Dw1 ήταν ήδη ένας ενδιαφέρων στόχος. Προηγούμενες έρευνες με τη χρήση του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble και ραδιοπαρατηρήσεων είχαν διαπιστώσει ότι έχει παραμορφωμένη εμφάνιση, μια έντονη αστρική προεξοχή και έναν ασυνήθιστα μεγάλο πληθυσμό σφαιρωτών σμηνών. Οι ερευνητές εκτίμησαν ότι περιέχει περίπου 52 σφαιρωτά σμήνη, τα οποία συνεισφέρουν περίπου το 20% του συνολικού φωτός του γαλαξία.
Η ασυνήθιστη δομή του έχει επίσης οδηγήσει τους αστρονόμους στην υπόθεση ότι μπορεί να αποτελεί κατάλοιπο μιας συγχώνευσης νάνων γαλαξιών ή μιας άλλης ισχυρής βαρυτικής αλληλεπίδρασης.
Αυτή η αφθονία σφαιρωτών σμηνών κάνει το νέο ρεύμα λιγότερο απρόσμενο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό. Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 85% της ύλης του Σύμπαντος, ωστόσο δεν εκπέμπει, δεν απορροφά και δεν ανακλά το φως με τρόπο που να μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα από τα συμβατικά τηλεσκόπια. Η παρουσία της συμπεραίνεται από τη βαρυτική της επίδραση στα άστρα, στους γαλαξίες και στις μεγαλύτερες κοσμικές δομές.
Χρήση των αστρικών ρευμάτων για τη χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης
Τα αστρικά ρεύματα προσφέρουν έναν εξαιρετικά ευαίσθητο τρόπο για την ανίχνευση αυτής της επιρροής. Αφού εντόπισαν τη δομή γύρω από τον UGC 9050-Dw1 οι ερευνητές δημιούργησαν χιλιάδες προσομοιώσεις σε υπολογιστή. Μετέβαλαν τις ιδιότητες του αρχικού σφαιρωτού σμήνους και την κατανομή της ύλης σε ολόκληρο το γαλαξία και στη συνέχεια συνέκριναν τα προσομοιωμένα ρεύματα με το τόξο που παρατηρήθηκε.
Το σχήμα, το χρώμα και η φαινομενική σύνδεση του ρεύματος με ένα συμπαγές αντικείμενο υποστήριξαν την υπόθεση ότι προήλθε από ένα σφαιρωτό σμήνος. Τα μοντέλα έδειξαν επίσης ότι ο γαλαξίας πιθανότατα βρίσκεται μέσα σε ένα μαζικό φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης, παρέχοντας, σύμφωνα με τους ερευνητές, τον πρώτο περιορισμό για το φωτοστέφανο ενός υπερ-διάχυτου γαλαξία που προκύπτει από ένα αστρικό ρεύμα.
«Τα αποτελέσματά μας συμφωνούν με προηγούμενες μελέτες και με όσα αυτές έχουν δείξει σχετικά με τη σκοτεινή ύλη σε αυτόν τον υπερδιάχυτο γαλαξία. Τη μετράμε χρησιμοποιώντας ένα εντελώς νέο εργαλείο για αυτόν τον τύπο γαλαξία, αποδεικνύοντας ότι αυτή η μέθοδος λειτουργεί και πέρα από τον δικό μας γαλαξία» αναφέρει η Χολμ.
Μια νέα δοκιμή για τη σκοτεινή ύλη σε μακρινούς γαλαξίες
Το αποτέλεσμα είναι σημαντικό επειδή οι υπερδιάχυτοι γαλαξίες έχουν εξελιχθεί σε σημαντικά «εργαστήρια» για τη δοκιμή θεωριών σχετικά με τη σκοτεινή ύλη. Παρά την αμυδρή εμφάνισή τους, μπορεί να παρουσιάζουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες όσον αφορά την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που εκτιμάται ότι περιέχουν, και οι αστρονόμοι εξακολουθούν να συζητούν πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται αυτοί οι ασυνήθιστοι γαλαξίες.
Το νέο αστρικό ρεύμα προσφέρει έναν ανεξάρτητο τρόπο για τη μελέτη αυτής της κρυμμένης μάζας. Η μέτρηση της συνολικής μάζας ενός γαλαξία είναι μόνο μία από τις δυνατότητες.
Ένα αρκετά λεπτό αστρικό ρεύμα μπορεί επίσης να λειτουργήσει σαν κοσμικός ανιχνευτής. Αν μια συμπαγής συγκέντρωση σκοτεινής ύλης περάσει κοντά ή μέσα από το ρεύμα, η βαρύτητά της μπορεί να διαταράξει τα άστρα, προκαλώντας ενδεχομένως κενά, συσσωρεύσεις ή άλλες ανωμαλίες.
«Τα λεπτά αστρικά ρεύματα μπορούν να αναπτύξουν κενά ή συσσωρεύσεις όταν μικρές συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης περνούν μέσα από αυτά. Οι αστρονόμοι συζητούν εδώ και καιρό αν έχουμε δει κάτι τέτοιο να συμβαίνει σε ρεύματα μέσα στον Γαλαξία μας. Αν μπορέσουμε να επιβεβαιώσουμε ότι αυτά τα χαρακτηριστικά προκαλούνται από αυτό, θα έχουμε έναν εντελώς νέο τρόπο να εξετάσουμε τον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται η σκοτεινή ύλη και τελικά να μάθουμε περισσότερα για τη θεμελιώδη φύση της» εξηγεί η Στάνκερμπουργκ.
Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αφήνει «ουλές» στα αστρικά ρεύματα
Διαφορετικές θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη μπορούν να προβλέψουν διαφορετικές ποσότητες και κατανομές μικρών δομών σκοτεινής ύλης. Επομένως, τα αστρικά ρεύματα έχουν τη δυνατότητα να εξετάσουν τη σκοτεινή ύλη σε κλίμακες που είναι δύσκολο να μελετηθούν χρησιμοποιώντας μόνο ολόκληρους γαλαξίες.
Οι ερευνητές έχουν ήδη αναπτύξει μεθόδους για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικά με τη δομή των φωτοστεφάνων σκοτεινής ύλης από ρεύματα γύρω από εξωτερικούς γαλαξίες.
Προς το παρόν, ο UGC 9050-Dw1 αποτελεί ένα μεμονωμένο παράδειγμα. Η ανακάλυψη πολλών περισσότερων τέτοιων ρευμάτων θα επέτρεπε στους επιστήμονες να συγκρίνουν τα περιβάλλοντα σκοτεινής ύλης διαφορετικών γαλαξιών, αντί να βασίζονται κυρίως στον Γαλαξία μας.
Αυτή η δυνατότητα μπορεί σύντομα να επεκταθεί δραματικά. Η αποστολή Euclid του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος και το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman της NASA έχουν σχεδιαστεί για να ερευνούν πολύ μεγαλύτερες περιοχές του ουρανού από όσες μπορεί να καλύψει αποτελεσματικά το Hubble. Ειδικά το Roman θεωρείται εδώ και καιρό ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την αναζήτηση ρευμάτων σφαιρωτών σμηνών σε κοντινούς γαλαξίες και για την ανίχνευση μικρών διαταραχών μέσα σε αυτά.
«Είναι συναρπαστικό το γεγονός ότι ανακαλύψαμε ένα λεπτό αστρικό ρεύμα γύρω από έναν γαλαξία διαφορετικό από τον δικό μας, χρησιμοποιώντας ήδη υπάρχοντα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, και το επιβεβαιώσαμε με δεδομένα επίγειων τηλεσκοπίων. Αυτό καθιστά την προοπτική ιδιαίτερα ελπιδοφόρα για τα νέα τηλεσκόπια που γίνονται διαθέσιμα, συμπεριλαμβανομένου του διαστημικού τηλεσκοπίου Roman, το οποίο μπορεί να βλέπει μια περιοχή 100 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Hubble» λέει η Στάνκερμπουργκ.
