سرعت ستاره‌ها در لبه کهکشان راه شیری کُندتر از مرکز!

یک کشف جدید توسط فیزیکدانان MIT نشان می دهد که ستارگان نزدیک به کهکشان راه شیری احتمالاً کندتر از ستاره های نزدیک به مرکز آن حرکت می کنند. این شگفتی نشان می دهد که هسته گرانشی کهکشان ما ممکن است حاوی ماده تاریک کمتری نسبت به آنچه قبلا تصور می شد باشد.

به گزارش ایسنا، فیزیکدانان MIT با اندازه گیری سرعت ستارگان در سراسر کهکشان راه شیری دریافتند که ستارگان دورتر در یک قرص کهکشانی در مقایسه با ستاره های نزدیک به مرکز کهکشان کندتر از حد انتظار حرکت می کنند. این یافته ها این احتمال جالب را افزایش می دهد که هسته گرانشی کهکشان راه شیری ممکن است از نظر جرم سبک تر باشد و ماده تاریک کمتری داشته باشد.

این نتایج جدید بر اساس تجزیه و تحلیل گروه تحقیقاتی MIT از داده های ثبت شده توسط تلسکوپ های Gaia و APOGEE است. گایا یک تلسکوپ فضایی در مدار زمین است که مکان دقیق، فاصله و حرکت بیش از یک میلیارد ستاره را در سراسر کهکشان راه شیری ردیابی می کند، اما APOGEE در حال انجام یک بررسی زمینی است. فیزیکدانان MIT بررسی های گایا از بیش از 33000 ستاره، از جمله برخی از دورترین ستاره های کهکشان را تجزیه و تحلیل کردند و توانستند سرعت دایره ای هر ستاره یا سرعت چرخش یک ستاره در قرص کهکشانی را بر اساس فاصله ستاره از مرکز کهکشان

آنها سرعت هر ستاره را در برابر فاصله آن ترسیم کردند تا یک منحنی چرخش ایجاد کنند. منحنی چرخش یک نمودار استاندارد در نجوم است که سرعت چرخش ماده را در فاصله معینی از مرکز کهکشان نشان می دهد. شکل این منحنی می تواند به دانشمندان کمک کند تا بفهمند که چه مقدار ماده مرئی و تاریک در سراسر یک کهکشان توزیع شده است.

لینا نسیب، دانشیار فیزیک دانشگاه MIT و یکی از محققان این پروژه، گفت: “ما دریافتیم که ستارگان بیرونی کمی کندتر از حد انتظار می چرخند، که نتیجه بسیار شگفت انگیزی است.

گروه تحقیقاتی منحنی چرخشی جدیدی را برای توزیع ماده تاریک اعمال کردند که می تواند کاهش سرعت ستارگان بیرونی را توضیح دهد. آنها دریافتند که نقشه به دست آمده یک هسته کهکشانی سبک تر از آنچه انتظار می رفت تولید کرد. بنابراین، مرکز کهکشان راه شیری ممکن است چگالی کمتری داشته باشد و ماده تاریک کمتری نسبت به آنچه دانشمندان تصور می‌کردند، داشته باشد.

نصیب ادامه داد: «چیز عجیبی در جایی اتفاق می‌افتد و این واقعاً هیجان‌انگیز است که بفهمیم تصویری منسجم از کهکشان راه شیری کجاست.

مانند بسیاری از کهکشان‌های جهان، کهکشان راه شیری مانند آب در گرداب می‌چرخد و چرخش آن تا حدی توسط موادی که درون قرصش می‌چرخند انجام می‌شود. در دهه 1970، ستاره شناس آمریکایی ورا روبین اولین کسی بود که مشاهده کرد که نحوه چرخش کهکشان ها صرفاً توسط ماده مرئی هدایت نمی شود. روبین و همکارانش سرعت چرخش دایره‌ای ستاره‌ها را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که منحنی‌های چرخش حاصل به‌طور شگفت‌آوری صاف هستند.

این بدان معناست که سرعت ستارگان در سراسر کهکشان ثابت می ماند. آنها به این نتیجه رسیدند که نوع دیگری از ماده نامرئی احتمالاً روی ستارگان دور عمل می کند تا به آنها فشار بیشتری وارد کند.

تحقیقات روبین در مورد منحنی های چرخش یکی از اولین شواهد قوی برای وجود ماده تاریک بود. تخمین زده می شود که مقدار این ماده نامرئی و ناشناخته از همه ستارگان و سایر مواد قابل مشاهده در جهان بیشتر باشد.

از آن زمان اخترشناسان منحنی های مشابهی را در کهکشان های دور مشاهده کرده اند که بیشتر از حضور ماده تاریک حمایت می کند. ستاره شناسان اخیراً تلاش کرده اند منحنی چرخش ستارگان کهکشان راه شیری را ترسیم کنند.

در سال 2019، آنا کریستینا ایلرز، دانشیار فیزیک در MIT، منحنی چرخش کهکشان راه شیری را با استفاده از داده های ماهواره گایا ترسیم کرد. داده های منتشر شده شامل ستارگانی در فاصله 81000 سال نوری از مرکز کهکشان بود.

با بررسی این داده‌ها، ایلرز دریافت که منحنی چرخش راه شیری صاف به نظر می‌رسد و مانند دیگر کهکشان‌های دور، افت جزئی دارد و احتمالاً کهکشان دارای چگالی بالایی از ماده تاریک در هسته خود است. با این حال، این دیدگاه اکنون تغییر کرده است، زیرا تلسکوپ گایا مجموعه داده جدیدی را منتشر کرده است که این بار شامل ستارگانی است که تقریباً 100000 سال نوری از هسته کهکشان فاصله دارند.

آنا فربل، محقق ارشد این پروژه گفت: در این فواصل، ما درست در لبه کهکشان هستیم. جایی که پرتاب ستارگان آغاز می شود. هیچ کس بررسی نکرده بود که چگونه ماده در این کهکشان بیرونی حرکت می کند، جایی که ما واقعاً در هیچ هستیم.

تنش عجیب

این گروه تحقیقاتی از داده‌های جدید Gaia استفاده کردند و به دنبال گسترش ایده اویلر در مورد منحنی چرخش اولیه بودند. آنها برای اصلاح تجزیه و تحلیل خود، داده های گایا را با اندازه گیری های APOGEE تکمیل کردند که ویژگی های بسیار دقیقی مانند روشنایی، دما و ترکیب بیش از 700000 ستاره در کهکشان راه شیری را ارائه می دهد.

محققان فواصل دقیق بیش از 33000 ستاره را تعیین کردند و از این اندازه گیری ها برای ایجاد یک نقشه سه بعدی از ستارگان پراکنده در سراسر کهکشان راه شیری استفاده کردند. آنها سپس این نقشه را در یک مدل سرعت دایره‌ای گنجانیدند تا سرعت یک ستاره را با توجه به توزیع ستاره‌های دیگر در کهکشان شبیه‌سازی کنند. محققان سرعت و فاصله هر ستاره را بر روی یک نمودار ترسیم کردند تا منحنی چرخش به روز شده راه شیری را تولید کنند.

نصیب گفت: اینجا بود که مسئله عجیبی پدید آمد.

به جای مشاهده کاهش جزئی مانند منحنی های چرخش قبلی، محققان دریافتند که منحنی جدید در انتهای بیرونی تیزتر از حد انتظار به نظر می رسد. این شیب غیرمنتظره نشان می دهد که اگرچه ستارگان ممکن است برای یک مسافت معین با سرعت یکسانی حرکت کنند، اما در دورترین فاصله ها ناگهان سرعت خود را کاهش می دهند. به نظر می رسد ستارگان حومه آهسته تر از حد انتظار حرکت می کنند.

وقتی محققان این منحنی چرخش را با مقدار ماده تاریکی که باید در سرتاسر کهکشان وجود داشته باشد مرتبط کردند، متوجه شدند که هسته راه شیری ممکن است حاوی ماده تاریک کمتری نسبت به تخمین قبلی باشد.

نصیب گفت: این نتیجه با اندازه گیری های دیگر در تنش است. درک واقعی این نتیجه عواقب عمیقی خواهد داشت. این ممکن است منجر به تشکیل توده های پنهان بیشتر در فراتر از لبه قرص کهکشانی یا تجدید نظر در وضعیت تعادل کهکشان ما شود. ما به دنبال یافتن این پاسخ ها در تحقیقات آتی، با استفاده از شبیه سازی با وضوح بالا از کهکشان هایی مانند کهکشان راه شیری هستیم.

این تحقیق که توسط بنیاد ملی علوم (NSF) حمایت شده است، در مجله MNRAS منتشر شده است.