Az MIT fizikusai megvizsgálták a Tejútrendszer csillagainak sebességeloszlását, és azt találták, hogy azok a galaktikus korong széle felé sokkal lassabban mozognak, mint azt a galaktikus központhoz közelebbi csillagok sebessége alapján várnánk. Ez egy meglepő lehetőséget vet fel: a Tejútrendszer magja talán kisebb tömegű és kevesebb sötét anyagot tartalmaz, mint gondoltuk.

Az új eredmények a Gaia-űrtávcső és az APOGEE program adatain alapulnak. A Gaia-űrtávcső a Tejútrendszer több mint egymilliárd csillagának pontos helyzetét, távolságát és sebességét méri, az APOGEE pedig egy földfelszíni égboltfelmérő program. A kutatók több mint 33 ezer csillag Gaia-adatait elemezték, köztük a galaxis legtávolabbi csillagaiét is, és meghatározták azok kerületi sebességét, vagyis azt, hogy milyen gyorsan haladnak a galaktikus korongban, figyelembe véve a csillag távolságát a galaxis központjától.

A vizsgált 33335 csillag kerületi sebességek kiszámításához használt térkép, centrumban a galaxis központjával, 0,5 kiloparszekes bontásban. A vektorok a csillagok átlagsebességét mutatják az egyes térrészekben, a színkódok az adott térrészben lévő csillagok számát jelzik. (Ou et al., 2024)

A kutatók minden egyes csillag sebességét megállapították a távolság függvényében, hogy felrajzolják a rotációs görbét – egy szabványos csillagászati grafikont, amely azt mutatja meg, hogy milyen gyorsan kering az anyag egy adott távolságban a galaxis központjától. A görbe segítségével megtudhatjuk, hogy mennyi látható és mennyi sötét anyag oszlik el a Galaxisunkban.

„Meglepve tapasztaltuk, hogy a görbe egy bizonyos távolságig lapos maradt, majd váratlanul meredeken ereszkedni kezdett.” – mondja Lina Necib (MIT). „Eszerint a külső csillagok kissé lassabban mozognak a vártnál, ami elég meglepő.”

A kutatók az új rotációs görbe alapján kiszámították a sötét anyag eloszlását, ami magyarázatot adhat a külső csillagok lassúságára, és az így kapott térkép alapján a galaktikus mag könnyebbnek bizonyult, mint várnánk. A Tejútrendszer központja valószínűleg kevésbé sűrű, kevesebb sötét anyagot tartalmaz, mint a kutatók eddig gondolták.

„Ez az eredmény ellentmondásban áll más mérésekkel.” – mondja Necib. „Valami gyanús dolog történik valahol. Nagyon izgalmas kideríteni, hogy mi az, és egy igazán összetett képet alkotni a Tejútrendszerről.” A kutatók a brit Királyi Csillagászati Társaság havi kiadványában számoltak be az elért eredményekről.

A Világegyetem legtöbb galaxisához hasonlóan a Tejútrendszer is úgy mozog, mint a víz egy örvényben. A forgását részben annak az anyagnak a mozgása tartja fenn, ami a korongban található. Az 1970-es években Vera Rubin csillagász volt az első, aki megfigyelte, hogy a galaxisok forgását nem magyarázza csupán a látható anyag.

Vera Rubin és munkatársai csillagok kerületi sebességét határozták meg, és arra az eredményre jutottak, hogy a rotációs görbék meglepően laposak. A csillagok kerületi sebessége az egész galaxisban állandó maradt ahelyett, hogy a távolsággal csökkent volna. Arra az eredményre jutottak, hogy valamilyen másfajta, láthatatlan anyagnak kell hatnia a távoli csillagokra, ami plusz lendületet ad nekik.

Rubin munkája nyújtotta az első bizonyítékot a sötét anyag létezésére – erre a láthatatlan, ismeretlen anyagra, amelynek tömege a becslések szerint meghaladja a Világegyetem összes csillagának és más látható anyagának tömegét.

Azóta a csillagászok hasonló lapos görbéket mértek a távoli galaxisokban, ami további bizonyítékkal szolgált a sötét anyag létezésére. Csak a közelmúltban kísérelték meg feltérképezni saját galaxisunk csillagainak rotációs görbéit.

„Nehezebb meghatározni a rotációs görbét, ha éppen egy galaxis belsejében vagyunk.” – jegyzi meg Ou.

Anna-Christina Eilers, az MIT fizikusa 2019-ben azon dolgozott, hogy a Gaia-űrtávcső adatai alapján megismerje a Tejútrendszer rotációs görbéjét. A galaktikus központtól 25 kiloparszekre, vagyis 81 ezer fényévre lévő csillagok adataival is számolt.

Eilers megfigyelte, hogy a Tejútrendszer rotációs görbéje látszólag lapos, enyhe lejtéssel, hasonlóan más, távoli galaxisokéhoz. Ebből arra következtetett, hogy a galaxis magjában nagy sűrűségű sötét anyag található. Ez a nézet azonban most, a teleszkóp új adathalmazával megváltozott. Ezúttal a halmaz a galaxismagtól 30 kiloparszekre, vagyis majdnem 100 ezer fényévre lévő csillagok adatait is tartalmazta.

„Ebben a távolságban már a galaxis szélén járunk, ahol a csillagok kezdenek elfogyni.” – mondja Anna Frebel, a tanulmány társszerzője. „Még senki sem tárta fel, hogyan mozog az anyag a galaxis szélén, ahol már tényleg a semmiben vagyunk.”

Az új kutatás során Ou és munkatársai rávetették magukat a Gaia új adataira, hogy továbbfejlesszék Eiler eredeti rotációs görbéjét. A pontosabb elemzéshez a kutatók az APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) méréseivel egészítették ki a Gaia adatait. Az APOGEE program a Tejútrendszer több mint 700 ezer csillagának tulajdonságait vizsgálja rendkívül részletesen, így a fényességüket, a hőmérsékletüket és az összetételüket.

„Mindezeket az információkat egy algoritmusba tápláljuk, hogy megismerhessük az összefüggéseket, amelyek jobb becsléseket nyújthatnak a csillagok távolságáról.” – magyarázza Ou. „Így nagyobb távolságokba tudunk hatolni.”

A kutatók meghatározták több mint 33 ezer csillag pontos távolságát, és létrehozták a Tejútrendszer központjától nagyjából 30 kiloparszekre lévő csillagok háromdimenziós térképét. Ezt a térképet aztán beépítették a sebesség-modellbe, hogy szimulálják, milyen gyorsan mozog egy csillag, figyelembe véve a galaxis összes többi csillagának eloszlását. Ezután minden egyes csillag kerületi sebességét és távolságát felrajzolták egy diagramra, hogy elkészítsék a Tejútrendszer friss rotációs görbéjét.

„És itt jött a furcsaság.” – mondja Necib. Ahelyett, hogy a korábbi rotációs görbékhez hasonlóan enyhe lejtést tapasztaltak volna, a görbe a vártnál erősebben süllyedt a külső szélen. Ez a váratlan eredmény azt sugallja, hogy egy bizonyos távolságig a csillagok azonos kerületi sebességgel mozoghatnak, a legnagyobb távolságokban azonban hirtelen lelassulnak. Úgy tűnik, hogy a galaxis szélén lévő csillagok lassabban mozognak a vártnál.

Amikor a rotációs görbe alapján meghatározták a sötét anyag mennyiségét a galaxisban, azt találták, hogy a Tejútrendszer magja kevesebbet tartalmazhat belőle, mint korábban becsülték. „Ez az eredmény ellentmondásban áll más mérésekkel.” – mondja Necib. „Ha ennek okát megértjük, komoly következményekkel számolhatunk. Eszerint a galaktikus korong szélén további tömegek rejtőzhetnek, vagy újra kell definiálnunk galaxisunk egyensúlyi állapotát. A Tejútrendszerhez hasonló galaxisok nagy felbontású szimulációival ezekre a kérdésekre keresünk majd választ.”

Forrás: phys.org