W jaki sposób strumienie gwiazd mogą pomóc w poszukiwaniu ciemnej materii
Według astronomów znaczna część gwiazd należących do Drogi Mlecznej skupia się w stosunkowo płaskim dysku. Otaczająca go przestrzeń ma jednak znacznie mniej uporządkowaną strukturę, a znajdujące się w niej pasma gwiazd, określane jako strumienie gwiazd, poruszają się wokół naszej galaktyki w sposób przypominający ruch planet wokół Słońca.
Od wielu lat badacze rozważają możliwość wykorzystania tych struktur do pośredniego wykrywania ciemnej materii. Jest to hipotetyczna substancja, która nie oddziałuje ze światłem, a ze zwykłą materią wchodzi w interakcje jedynie za pośrednictwem grawitacji. Naukowcy z University of Washington przeprowadzili jednak badanie, którego rezultaty podają w wątpliwość jedno z podstawowych założeń dotyczących związku między strumieniami gwiazd a ciemną materią. Wyniki ich pracy ukazały się na łamach czasopisma „The Astrophysical Journal”.
Zgodnie z obecnymi założeniami astronomów ciemna materia odpowiada za większość masy Wszechświata i stanowi strukturę, na której kształtują się galaktyki. Jej rzeczywista natura pozostaje jednak nieznana, dlatego Droga Mleczna jest ważnym obiektem badań mających pomóc w poznaniu tej substancji. Zdaniem naukowców strumienie gwiazd należą do najistotniejszych narzędzi umożliwiających analizowanie ciemnej materii w otoczeniu naszej galaktyki.
Powstawanie strumieni gwiazd i ich znaczenie dla astronomów
Do utworzenia strumienia gwiazd dochodzi wówczas, gdy grupa gwiazd znajdzie się wystarczająco blisko galaktyki, aby zostać przechwycona przez jej pole grawitacyjne. Podczas ruchu orbitalnego wokół większego obiektu oddziaływanie grawitacyjne stopniowo rozciąga taką grupę, przekształcając ją w długie i wąskie pasmo gwiazd. Podobne struktury występują w większości galaktyk, ale astronomowie mają najlepsze możliwości obserwowania tych należących do Drogi Mlecznej.
Znaczna część strumieni gwiazd obserwowanych w naszej galaktyce nie ma regularnego kształtu. W ich strukturach można dostrzec przerwy oraz zakrzywienia, które zakłócają ciągłość tych formacji. Według badaczy przyczyną takich zaburzeń mogą być oddziaływania grawitacyjne niewielkich skupisk ciemnej materii, określanych mianem podhalo (subhalo). Gdyby podobne skupiska były rozmieszczone w całej galaktyce, analiza deformacji strumieni mogłaby pomóc naukowcom ustalić skład tej tajemniczej substancji.
Wpływ grawitacji Drogi Mlecznej na strumienie gwiazd
Celem przeprowadzonych analiz było sprawdzenie, w jakim stopniu za kształt strumieni gwiazd odpowiada sama galaktyka macierzysta, niezależnie od obecności skupisk ciemnej materii. W tym celu badacze przygotowali symulacje czterech galaktyk o rozmiarach zbliżonych do Drogi Mlecznej, pozbawionych takich skupisk. W ich obrębie rozmieszczono następnie około 15 tys. strumieni gwiazd. Po odtworzeniu pięciu miliardów lat ewolucji niemal wszystkie symulowane struktury wykazywały zaburzenia.
Wyniki pokazały, że oddziaływanie samych galaktyk macierzystych wystarczało do powstania nieregularności odpowiadających tym, które astronomowie dostrzegają w rzeczywistych strumieniach gwiazd. Określenie wpływu galaktyki na takie formacje może ułatwić odróżnianie zaburzeń powodowanych przez nią od efektów, za które potencjalnie odpowiada ciemna materia.
Jak ustalili naukowcy, źródłem obserwowanych deformacji była wewnętrzna budowa symulowanych galaktyk. Rozkład gwiazd w ich dyskach nie był jednolity, przez co występowały w nich zarówno obszary o podwyższonej, jak i obniżonej gęstości. Takie rozmieszczenie materii miało odwzorowywać strukturę prawdziwych galaktyk przypominających Drogę Mleczną. Podczas przemieszczania się przez gęstsze regiony symulowane strumienie ulegały zakrzywieniom i rozerwaniu wskutek oddziaływania niejednorodnego pola grawitacyjnego.
Naukowcy zaobserwowali więcej zaburzeń, niż przewidywali
Astronomowie zakładali, że grawitacja galaktyk macierzystych wpłynie na kształt strumieni gwiazd, jednak rozmiary powstałych deformacji przekroczyły ich oczekiwania. Niemal każda z analizowanych struktur wykazywała pewne odstępstwa od regularnego kształtu. Rezultaty symulacji sugerują zatem, że powszechne założenie o naturalnie cienkiej i gładkiej budowie strumieni gwiazd nie zawsze musi być słuszne.
W trakcie symulacji powstawały między innymi falowania, zakrzywienia, odnogi, rozgałęzienia, przerwy oraz zagęszczenia gwiazd. Część strumieni została nawet całkowicie zniszczona wskutek działania chaotycznego pola grawitacyjnego galaktyk macierzystych. Największą podatność na deformacje wykazywały struktury poruszające się po orbitach położonych bliżej jąder galaktyk, ponieważ częściej przecinały obszary o dużej koncentracji materii. Po upływie pięciu miliardów lat spośród około 15 tys. strumieni umieszczonych w czterech symulowanych galaktykach tylko 70 zachowało względnie niezmienioną strukturę.
Badania ciemnej materii będą wymagały kolejnych symulacji
Zdaniem autorów pracy uzyskane rezultaty wskazują interesujący i wyraźny kierunek dalszych analiz dotyczących ciemnej materii. W następnych symulacjach badacze zamierzają uwzględnić skupiska tej substancji, aby ustalić, czy wywoływane przez nie deformacje strumieni gwiazd można odróżnić od zaburzeń powstających wyłącznie pod wpływem galaktyki macierzystej.
Astronomowie zaznaczają, że dotychczas nie opracowano prostego sposobu pozwalającego poznać strukturę ciemnej materii. Chociaż strumienie gwiazd okazują się bardziej złożonymi formacjami, niż mogłyby sugerować wcześniejsze założenia, wciąż są uznawane za jedną z najbardziej interesujących metod badania tej substancji w najbliższym otoczeniu galaktycznym.
Mariusz Drzewiecki
