Телескоп NASA зможе з’ясувати, чи заповнені прогалини в галактиці Андромеди темною матерією

На простір між потоками зірок може впливати присутність найзагадковішої форми матерії у Всесвіті.

Зображення, створені майбутнім римським космічним телескопом НАСА “Ненсі Грейс”, можуть дозволити вченим шукати темну матерію між зірками.

Міжнародна група дослідників вважає, що проміжки, присутні в ланцюжках зірок, що звисають з щільно упакованих куль давніх зоряних тіл, які називаються кульовими скупченнями, можуть перебувати під впливом згустків темної матерії.

Досі астрономи могли вивчати ці висячі зоряні потоки лише в межах Чумацького Шляху, а це означає, що наше розуміння їх обмежене. Roman, запуск якого заплановано на 2027 рік, має бути достатньо чутливим, щоб побачити ці структури в сусідній галактиці Андромеди – і з такою деталізацією можна буде побачити збої, спричинені темною матерією, що дасть астрономам підказки про цю невловиму субстанцію.

“У нашій власній галактиці існують зоряні потоки, де ми бачимо прогалини, які можуть бути спричинені темною матерією, – говорить Тітке Старкенбург, член команди і науковець з Північно-Західного університету, у своїй заяві. “Але ці розриви також можуть бути утворені й іншими способами”.

Команда стверджує, що, оскільки Роман спостерігає розриви в галактиках, відмінних від Чумацького Шляху, він надасть вченим кращу картину цих розривів в цілому. Це, зрештою, може допомогти визначити існування та властивості згустків темної матерії.

Читання між рядками (або, точніше, між зірками)
Темна матерія викликає занепокоєння вчених, оскільки, незважаючи на те, що на неї припадає приблизно 85% матерії у Всесвіті, вони мають дуже слабке уявлення про те, що вона собою являє.

Темна матерія не взаємодіє зі світлом, а це означає, що вона фактично невидима для наших очей і не може складатися з атомів, що складаються з електронів, протонів і нейтронів, з яких складається “повсякденна” матерія, до якої ми звикли. Подумайте, зірки, планети, квіти, книги. Все, що ми бачимо неозброєним оком, включаючи наші тіла, складається з такої “звичайної” матерії.

Однак темна матерія взаємодіє з гравітацією, а це означає, що єдиний спосіб, яким вчені можуть зробити висновок про її присутність, – це подивитися, як її вплив на гравітацію згодом впливає на всю цю повсякденну матерію і світло.

Той факт, що темна матерія взаємодіє з гравітацією, насправді є щасливим для еволюції всесвіту. Деякі галактики, наприклад, обертаються так швидко, що гравітація їхньої видимої матерії – зірок, газу, пилу і планет – була б недостатньою, щоб запобігти їхньому розльоту на частини.

“Ми бачимо вплив темної матерії на галактики, – говорить Крістіан Аганзе, член команди і докторант Стенфордського університету. “Наприклад, коли ми моделюємо обертання галактик, нам потрібна додаткова маса, щоб пояснити їхнє обертання. Темна матерія може забезпечити цю відсутню масу”.

Підказки про темну матерію цілком можуть висіти в кулястих скупченнях, які часто містять мільйони зірок, а також у слабких зоряних потоках. Вчені вважають, що темна матерія може “пробивати дірки” в цих зоряних потоках, створюючи проміжки, які можна використати для оцінки природи цієї загадкової форми матерії.

“Причина, чому ці потоки є найбільш цікавими для спостереження за ефектами цих згустків темної матерії, полягає в двох моментах”, – сказав Старкенбург. По-перше, ці потоки “живуть” у крайніх зовнішніх регіонах галактики, де зазвичай дуже мало структури.

“А по-друге, ці потоки за своєю суттю дуже тонкі, тому що вони утворилися з щільних скупчень зірок, а це означає, що ви можете побачити розриви або будь-які збурення набагато легше”.

Це не нова ідея, але вона не була повністю використана для того, щоб дістатися до суті проблеми темної матерії. Сучасні космічні телескопи та наземні інструменти обмежуються пошуком пробитих темною матерією дірок у невеликій кількості зоряних потоків, що висять у кулястих скупченнях Чумацького Шляху.

Зі своєї позиції на відстані близько 1 мільйона миль (1,6 мільйона кілометрів) від Землі “Роман” зможе вперше дослідити такі особливості в сусідніх галактиках, зокрема, в Андромеді. Його ширококутний інструмент створюватиме зображення у 200 разів більші за ті, що створює космічний телескоп “Габбл”.

Щоб перевірити це, команда змоделювала потоки зірок і дозволила їм взаємодіяти зі згустками темної матерії, створюючи розриви, як і передбачалося. Потім вчені створили імітацію спостережень Рима за цими пробоїнами в зоряних потоках, пробитими темною матерією. Вони дійшли висновку, що Роман дійсно зможе виявити ці розриви, коли нарешті відкриє очі на космос.

Roman проллє більше світла на темну матерію

Вивчення зоряних потоків, що висять у кульових скупченнях, буде не єдиним полюванням на темну матерію, яким займатиметься “Роман”, вивчаючи всесвіт.

Вчені вважають, що більшість, якщо не всі, галактики оповиті ореолами цієї загадкової матерії. Вважається, що ці ореоли простягаються далеко за межі видимого вмісту галактик. Останню також вивчатиме космічний телескоп, названий на честь першої керівниці НАСА з астрономії Ненсі Грейс Роман, яку ніжно називають “матір’ю Габбла”.

Roman буде використовуватися не лише для дослідження гало темної матерії навколо Андромеди, але й для вивчення можливого існування менших “субгало” темної матерії навколо сусідньої галактики.

“Ми очікуємо, що менші субгало темної матерії будуть взаємодіяти з потоками кулястих скупчень”, – сказав Старкенбург. “Якщо ці субгало присутні в інших галактиках, ми прогнозуємо, що побачимо розриви в потоках кульових скупчень, які, ймовірно, спричинені цими субгало.

“Це дасть нам нову інформацію про темну матерію, в тому числі про те, які види гало темної матерії існують і яка їхня маса”.

Окрім участі в цьому дослідженні, Старкенбург вже допомагає закласти основу для роботи Римського телескопа з виявлення темної матерії за допомогою фінансування в рамках програми НАСА “Ненсі Грейс з досліджень та підтримки можливостей участі в роботі Римського космічного телескопа”.

“Ця команда планує змоделювати, як кульові скупчення формуються в зоряні потоки, розробивши набагато більш детальну теоретичну базу, – сказала вона. Ми продовжимо прогнозувати походження потокоутворюючих кульових скупчень і те, чи можна буде спостерігати ці потоки за допомогою “Романа””.

Дослідження команди детально описано в препринті статті, розміщеному в репозиторії arXiv і прийнятому до публікації в The Astrophysical Journal.