Астрономи, використовуючи дані, зібрані телескопами NASA та Європейського космічного агентства (European Space Agency, ESA), створили й оприлюднили нову мапу всього неба для найвіддаленішого регіону нашої галактики. Цей мало заселений зорями район, відомий як гало Галактики, лежить за спіральними рукавами, які утворюють упізнаваний диск Молочного Шляху. Хоча гало може здаватися головно порожнім, астрономи передбачають, що воно є великим резервуаром для темної матерії, досі невідомої та невидимої матерії. Вона, як вважають нині науковці, є носієм майже всієї маси у Всесвіті.
Дані для нової мапи отримано від місії ESA «Гайя» (Gaia) та Ширококутного інфрачервоного оглядового дослідника навколоземних об’єктів (Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer) NASA, або NEOWISE, що працював з 2009 по 2013 рік під назвою WISE. Результати дослідження, яке на підставі даних, зібраних космічними апаратами протягом 2009—2018 років, виконали астрономи Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), 21 квітня 2021 р. оприлюднив журнал Nature.
Нова мапа показує, як карликова галактика під назвою Велика Магелланова Хмара (Large Magellanic Cloud, LMC) — названа так, бо вона є більшою з двох карликових галактик, що обертаються навколо Молочного Шляху, — проходила крізь галактичне гало, як корабель по воді. Її гравітація спричинила появу сліду в середовищі зір. LMC лежить від Землі на відстані приблизно 160 000 світлових років, а її маса становить менше чверті маси Молочного Шляху. Хоча внутрішня частина гало нанесена на мапу з високою точністю, це перша карта, яка так само точно відображає картину зовнішніх ділянок гало. Якраз там виявлено слід — на відстані приблизно від 200 000 до 325 000 світлових років від цента Галактики. Попередні дослідження вказували на те, що такий слід може бути. Тепер мапа всього неба не лише показує його існування, але дає докладний огляд його форми, розміру та розташування.
Ця візуалізація показує центральний диск нашої галактики Молочний Шлях і карликову сусідню галактику під назвою Велика Магелланова Хмара. Нова зоряна мапа всього неба відображає розташування зір у зовнішній частині Молочного Шляху (її називають гало Галактики), приблизно від 200 000 до 325 000 світлових років від центра Молочного Шляху. Відео з сайту www.nasa.gov.
Це збурення гало також дає можливість астрономам вивчати те, що вони не можуть прямо спостерігати: темну матерію. Хоча вона не випромінює, не відбиває і не поглинає світло, гравітаційний вплив темної матерії астрономи спостерігають повсюди у Всесвіті. Існує уявлення, що темна матерія — це своєрідне риштування, що уможливило формування галактик. Без нього галактики розлетілися б у міру обертання. Темної матерії, за оцінками, більше у Всесвіті вп’ятеро, ніж всієї матерії, що випромінює або взаємодіє зі світлом — від зір до планет і газових хмар.
Хоча існує багато теорій про природу темної матерії, всі вони вказують на те, що ця субстанція має бути в гало Молочного Шляху. Якщо це так, тоді, коли LMC проходить цим регіоном, вона також має залишити слід у темній матерії. «Кільватер», що простежується на новій зоряній мапі, на думку науковців є контуром цього сліду в темній матерії; зорі схожі на листя на поверхні цього невидимого океану, їхнє положення змінюється, відображаючи «хвилювання» темної матерії.
Взаємодія між темною матерією та Великою Магеллановою Хмарою має великі наслідки для нашої галактики. Коли LMC обертається навколо Молочного Шляху, гравітація темної матерії чинить вплив на LMC і сповільнює її рух. Це призведе до того, що орбіта карликової галактики стане все меншою і меншою, поки вона остаточно не зіткнеться з Молочним Шляхом приблизно через 2 мільярди років. Ці типи злиттів можуть бути основним фактором, що зумовлює появу масивних галактик у Всесвіті. Астрономи вважають, що Молояний Шлях злився з іншою невеликою галактикою приблизно 10 мільярдів років тому.
«Це поглинання енергії меншої галактики пояснює не лише те, чому LMC зливається з Молочним Шляхом, але й з те, чому відбуваються всі злиття галактик», — сказав Роган Найду (Rohan Naidu), астроном-аспірант Гарвардського університету та співавтор статті в Nature. «Кільватер на нашій мапі — це справді чітке підтвердження того, що наша основна картина того, як галактики зливаються, є точною!».
Рідкісна можливість
Автори статті також вважають, що нова мапа — разом із додатковими даними та теоретичним аналізом — може забезпечити перевірку різних теорій про природу темної матерії, наприклад, чи складається вона з частинок, як звичайна речовина, і які властивості таких частинок.
«Ви можете собі уявити, що слід за човном буде іншим, якщо човен пливе по воді чи по меду», — сказав співавтор дослідження Чарлі Конрой (Charlie Conroy), професор Гарвардського університету та астроном Центру астрофізики. «У цьому разі властивості сліду визначає те, яку теорію темної матерії ми застосовуємо».
Конрой очолював групу науковців, яка нанесла на мапу позиції понад 1300 зір в гало. Проблема виникла тоді, коли науковці стали визначати точну відстань від Землі до великої частини цих зір: часто неможливо зрозуміти, слабка зоря, що міститься недалеко, чи яскрава і лежить далеко. Група використовувала дані місії Gaia, яка визначає точні розташування багатьох зір на небі, але не може виміряти відстань до зір у зовнішніх районах Молочного Шляху.
Після ідентифікації зір, які, ймовірно, містяться в гало (оскільки вони, очевидно, не перебувають всередині нашої галактики або в LMC), науковці шукали зорі-гіганти, що мають специфічний світловий «підпис», виявлений NEOWISE. Знання основних властивостей вибраних зір дало змогу науковій групі з’ясувати їх відстань від Землі та створити нову мапу. Ця мапа показує регіон з відстані приблизно 200 000 світлових років від центру Молочного Шляху, або приблизно там, де, як передбачали астрономи, має починатися слід LMC, і простягається приблизно на 125 000 світлових років.
Конрой та його колеги вирішили взятися за пошуки сліду LMC, дізнавшись про групу астрофізиків з Аризонського університету в Тусоні, які розробляють комп’ютерні моделі для передбачення вигляду темної матерії в гало Галактики. Ці дві групи працювали разом над новим дослідженням. Одна з моделей Аризонської «команди», яку використовували у процесі дослідження, передбачила загальну структуру та конкретне розташування зоряного сліду, тобто те, що потім виявили на новій карті. Як тільки дані показали правильність моделі, науковці змогли підтвердити висловлені раніше іншими дослідниками здогадки: Велика Магелланова Хмара, ймовірно, виконує свій перший обхід (першу орбіту) навколо Молочного Шляху. Якби карликова галактика вже здійснила кілька орбіт, форма і розташування сліду істотно відрізнялися б від того, що вдалося спостерігати. Астрономи вважають, що LMC виникла в тому ж середовищі, що і Молочний Шлях, та інша галактика, яка лежить поруч, M31 (Туманність Андромеди — Ред.). Перша орбіта Великої Магелланової Хмари навколо нашої галактики є дуже тривалою (близько 13 мільярдів років). Наступна її орбіта буде набагато коротшою завдяки взаємодії з Молочним Шляхом.
«Підтвердження нашого теоретичного передбачення даними спостережень говорить нам, що ми правильно розуміємо взаємодію між цими двома галактиками, включаючи темну речовину», — сказав астроном-докторант Аризонського університету Ніколас Ґаравіто-Камарджо (Nicolás Garavito-Camargo), який керував роботою з розробки моделі, використаної в дослідженні.
Нова мапа також надає астрономам рідкісну можливість перевірити властивості темної матерії (умовної води чи меду) в нашій галактиці. У новому дослідженні Ґаравіто-Камарджо та його колеги використовували популярну теорію темної матерії під назвою холодна темна матерія (cold dark matter), яка відносно добре описує розподіл зір, виявлений із спостережень. Тепер команда Аризонського університету виконує комп’ютерні симуляції з використанням різних теорій темної матерії, щоб побачити, яка з них найкраще відповідає хвилі, утвореній зорями Галактики внаслідок руху Великої Магелланової Хмари.
«Це справді особлива сукупність обставин, що склалися для створення цього сценарію, який дає нам змогу перевірити теорії темної матерії», — сказала Ґуртіна Бесла (Gurtina Besla), співавтор дослідження, доцент Аризонського університету. «Але ми можемо виконати цей тест лише за допомогою комбінації нової мапи, яку ми побудували, та моделювання темної матерії».
Запущений в 2009 році, космічний телескоп WISE був переведений в режим «глибокого сну» в 2011 р. після завершення своєї основної місії. У вересні 2013 р. NASA активувало космічний зонд для виконання основної мети — пошуку об’єктів, що знаходяться поблизу Землі (near-Earth objects, або NEO), а місія та космічний зонд були перейменовані в NEOWISE. Лабораторія реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL) NASA у Південній Каліфорнії керувала та експлуатувала WISE для Дирекції наукової місії NASA. Місія була обрана за конкурсом в рамках Програми дослідників NASA, якою керував Центр космічних польотів імені Ґоддарда в Грінбелті, штат Меріленд. NEOWISE — це проект JPL, підрозділу Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) та Аризонського університету, який підтримує Управління з координації планетного захисту (Planetary Defense Coordination Office) NASA.
За інф. з сайту www.nasa.gov підготував Іван Крячко
