Når en lille galakse kaster sig for tæt på Mælkevejen, rulles tyngdekraften fra vores større galakse den ind. Gas og stjerner rives fra den forbipasserende galakse, når den falder indad mod dens undergang, hvilket skaber strømme af materiale, der strækker sig mellem det galaktiske par. Disse vandløb fortsætter med at rive stjerner væk, indtil den infalling genstand er blevet fuldstændig fortæret. Efter fusionen er forbi, er nogle af de eneste resterende tegn på det fortærede objekt de stjernestrømme, der snakede gennem Mælkevejen, en lille prøve af stjerner fra en galakse, der længe er gået.
Ud over at være en fortegnelse over fortiden kan en af disse strømme give det første direkte bevis for små klynger af mørkt stof - det undvigende materiale, der antages at udgøre 85 procent af al materie i universet. En nylig analyse af et stjerne af stjerner afslører, at det interagerede med et tæt objekt i de sidste par hundrede millioner år. Efter at have udelukket de mest sandsynlige mistænkte, fastslog forskerne, at det relativt for nylig skabte hul i strømmen kan være forårsaget af en lille klump af mørkt stof. Hvis bekræftet, kan virkeligheden af denne stjernestrøm hjælpe forskere med at sortere gennem de konkurrerende teorier om mørk materie og måske endda lukke ind på egenskaberne ved det mystiske materiale.
Stjernestrømmen kendt som GD-1 er en tynd strøm af materiale gemt inde i den galaktiske glorie, den løse samling af stjerner og gasser, der omgiver disken på Mælkevejen. Ved hjælp af data, der blev frigivet sidste april fra Det Europæiske Rumagenturs Gaia-rumteleskop, som er i færd med at samle det mest detaljerede kort over Melkevejens stjerner nogensinde er lavet, kunne astronomer bruge præcise positionsdata til at rekonstruere bevægelsen af stjernerne i GD -1. Strømmen er revet af en sky af materiale og er den sidste rest af et objekt, der sandsynligvis blev konsumeret af vores galakse i de sidste 300 millioner år - en øjenlink på astronomiske tidsforløb.
En kunstners gengivelse af ESAs Gaia-rumobservatorium, et astrometri-teleskop designet til at måle stjernernes positioner og bevægelser. (ESA / NASA) Gaia fandt to små pauser i strømmen, den første utvetydige observation af huller i en stjernestrøm, samt en tæt samling af stjerner kaldet en spur. Sammen antyder disse funktioner, at en lille, men massiv genstand ryste op i strømmen.
"Jeg tror, dette er det første direkte dynamiske bevis for den lille skala [struktur] af mørkt stof, " siger Adrian Price-Whelan, en astronom ved Flatiron Institute i New York. I samarbejde med Ana Bonaca fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics undersøgte Price-Whelan de nyfundne strukturer i GD-1 for at bestemme deres kilde og præsenterede resultaterne tidligere i år på vintermødet i American Astronomical Society.
**********
Ved ca. 33.000 lysår (10 kiloparsek) er GD-1 den længste stjernestrøm i den galaktiske glorie. Mens Price-Whelan og hans kolleger var i stand til at bruge modeller til at vise, at et af de huller, der blev dannet under dannelsen af strømmen, forblev det andet hul et mysterium. Sammen med puslespillet afslørede Gaia imidlertid også en løsning: ansporen.
Når en genstand rejser forbi eller gennem en stjernestrøm, forstyrrer den stjernerne. Price-Whelan sammenligner forstyrrelsen med en stærk luftstråle, der blæser over en vandstrøm. Vandet - eller stjernerne - ryster udad langs forstyrrelsesstien og skaber et hul. Nogle bevæger sig så hurtigt, at de slipper for strømmen og flyver ud i rummet, tabt for evigt. Andre trækkes tilbage i strømmen for at danne hvirvellignende træk astronomer kalder sporer. Efter et par hundrede millioner år smelter de fleste sporer tilbage i strømmen, og kun kløften er tilbage, skønt nogle kan være længerevarende.
Når det gælder pletstrukturer i stjernestrømme, kalder Price-Whelan GD-1 "Goldilocks-strømmen", fordi den er på det rigtige sted. GD-1 er inden for stjernene på Mælkevejen, men bevæger sig i den modsatte retning, hvilket gør det lettere for astronomer at udvælge stjernerne i strømmen fra de omgivende genstande. "På ethvert givet sted bevæger det sig anderledes end den måde, de fleste af de andre stjerner i den del af himlen bevæger sig på, " siger Price-Whelan.
Forskerne modellerede, hvilken type genstande der kunne være ansvarlig for den relativt nyfødte spur, der blev opdaget i GD-1. De bestemte, at det ansvarlige objekt måtte veje ind med en masse et sted mellem 1 og 100 millioner gange solens masse. Objektet strækker sig kun ca. 65 lysår (20 pc) og ville have været utroligt tæt. Interaktionen mellem strømmen og det tætte objekt ville sandsynligvis have fundet sted inden for de sidste hundrede millioner år ud af universets levetid på 13, 8 milliarder år.
Et diagram over vores galakse, Mælkevejen. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Mørk stof er ikke det eneste objekt, der kunne have forstyrret stjernestrømmen. En kugleformet klynge eller dværg galakse, der slynger sig i nærheden, kunne også have skabt kløften og ansporet. Price-Whelan og hans kolleger vendte blikket mod alle kendte sådanne genstande og beregnet deres baner og fandt, at ingen kom tæt nok på GD-1 i de sidste milliarder år til at ryste tingene op. Et tilfældigt møde med et urligt sort hul kunne have sendt strømmen til stjerner, men det ville have været en ekstremt sjælden begivenhed.
I henhold til simuleringer af mørkt stof, der giver mulighed for små strukturer, spredes mængder af mørke stoffer frø gennem galakser som Mælkevejen. En strøm som GD-1 forventes at støde på mindst et sådant frø i løbet af de sidste 8 milliarder år, hvilket gør mørk stof til en langt mere sandsynlig perturber baseret på møderate end nogen anden genstand.
**********
Mørket stof udgør hovedparten af massen i universet, men det er aldrig blevet direkte observeret. De to førende teorier for dens eksistens er den varme mørke materie-model og Lambda-kolde mørke stof-modellen (ΛCDM), som er den model, som de fleste forskere foretrækker. Under ΛCDM danner mørkt stof klumper, der kan være så store som en galakse eller så lille som en sodavand. Moderne varme mørke stoffer antyder, at materialet har mindre massive partikler og mangler de strukturer, som størrelse af dåse har, som ΛCDM-modellen antyder. At finde bevis for små strukturer af mørkt stof kan hjælpe med at udslette visse modeller og begynde at indsnævre nogle af de karakteristiske træk ved de fristende ting.
"Strømme er muligvis den eneste vej, som vi [kunne bruge] til at studere den laveste masse af det mørke stof gør, " siger Price-Whelan. "Hvis vi vil være i stand til at bekræfte eller afvise eller udelukke forskellige teorier om mørk materie, er vi virkelig nødt til at vide, hvad der sker i [den lave] ende."
Gaias data hjalp med at identificere sporene, men de er ikke detaljerede nok til at sammenligne hastighedsforskellene mellem dem og stjernerne i strømmen, hvilket kunne hjælpe med at bekræfte, at mørkt stof forstyrrede strukturen. Price-Whelan og hans kolleger ønsker at bruge NASAs Hubble-rumteleskop til yderligere at studere bevægelsen af de svage stjerner i GD-1. Selvom Gaia har åbnet døren til bred undersøgelse af bevægelsen af stjerner over Mælkevejen, siger Price-Whelan, at den ikke kan konkurrere med HST, når det kommer til meget svage stjerner. "Du kan bore meget dybere, når du har et dedikeret teleskop som Hubble, " siger han.
Forskellene i, hvordan stjernerne i strømmen og sporen bevæger sig, kunne hjælpe astronomer med at bestemme, hvor meget energi den forstyrrende genstand bar, samt give forskere mulighed for at beregne dens bane. Disse informationsstykker kunne bruges til at spore den forstyrrende klump af mørke stoffer og studere dets umiddelbare miljø.
Ud over at foretage en mere dybdegående undersøgelse af GD-1 planlægger astronomer at anvende de samme teknikker aktiveret af Gaias data til nogle af de mere end 40 andre vandløb, der omgiver Mælkevejen. At spotte sporer og huller i andre vandløb og binde dem til mørkt stof kunne forbedre vores forståelse af, hvordan det mystiske stof interagerer med den synlige galakse, yderligere.
Efter årtiers forundring over mysteriet med mørk stof, kan hulerne og sporer i stjernestrømme som GD-1 endelig hjælpe med at afsløre hemmelighederne for det stof, der udgør det meste af universet. "Dette er en af de mest spændende ting, der er kommet ud af Gaia, " siger Price-Whelan.
