Myśleli, że widzą ślady ciemnej materii. Winna może być sama galaktyka

Astronomowie mają naprawdę spory problem z ciemną materią: nie mogą jej po prostu zobaczyć, więc próbują obserwować skutki jej grawitacji. Jednym z najbardziej obiecujących sposobów miały być długie, wąskie strumienie gwiazd oplatające Drogę Mleczną. Ich przerwy, załamania i odnogi traktowano jako potencjalne blizny po spotkaniach z niewidzialnymi skupiskami ciemnej materii. Nowe symulacje pokazują jednak, że bardzo podobne ślady może pozostawić samo skomplikowane pole grawitacyjne galaktyki.

Strumienie gwiazd powstają m.in. wtedy, gdy Droga Mleczna przechwytuje gromadę kulistą, a jej grawitacja zaczyna stopniowo ją rozrywać. Gwiazdy nie rozpraszają się natychmiast po całym halo galaktycznym, lecz rozciągają wzdłuż orbity dawnej gromady. W rezultacie powstaje długa i stosunkowo cienka smuga złożona z gwiazd mających wspólną historię.

Taka struktura działa trochę jak bardzo długa nić rozciągnięta przez pole grawitacyjne Drogi Mlecznej. Jeżeli w pobliżu przejdzie niewidoczny, ale masywny obiekt, jego grawitacja może szarpnąć część gwiazd i pozostawić po sobie przerwę, zagęszczenie albo odnogę wychodzącą poza główny strumień.

Właśnie tutaj pojawia się ciemna materia. Standardowy model kosmologiczny przewiduje, że ogromne halo ciemnej materii otaczające Drogę Mleczną nie powinno być idealnie gładkie. Powinny znajdować się w nim również mniejsze skupiska, czyli subhalo, w tym takie, które są zbyt małe, aby utworzyć widoczną galaktykę. Takiego ciemnego skupiska nie zobaczymy jednak teleskopem. Możemy natomiast próbować znaleźć ślad po jego grawitacyjnym spotkaniu ze strumieniem gwiazd.

Wiele modeli wykorzystywanych do interpretowania takich struktur upraszcza pole grawitacyjne galaktyki. Pozwala to łatwiej sprawdzić, co powinno wydarzyć się po przelocie konkretnego subhalo, ale tworzy niebezpieczne założenie, że bez takiego zewnętrznego potrącenia strumień powinien pozostać stosunkowo spokojny.

Zespół kierowany przez Arpita Arorę postanowił sprawdzić właśnie tę podstawę. Naukowcy wykorzystali cztery kosmologiczne symulacje galaktyk o masach zbliżonych do Drogi Mlecznej i umieścili w nich łącznie około 15 tys. strumieni pochodzących z rozrywanych gromad kulistych.

Tym razem galaktyki nie były nieruchomym, idealnie regularnym potencjałem grawitacyjnym. Modele uwzględniały ich zmieniający się w czasie dysk, halo oraz większe struktury powstające podczas ewolucji galaktyki.

Jednocześnie badacze celowo wyeliminowali małe zaburzające obiekty, których wpływ chcieli oddzielić od wpływu gospodarza. W symulowanych potencjałach nie było małych subhalo ciemnej materii ani olbrzymich obłoków molekularnych, które również potrafią grawitacyjnie poszarpać strumień. Jeżeli mimo tego pojawiłyby się charakterystyczne przerwy i odnogi, oznaczałoby to, że do ich stworzenia wcale nie potrzeba spotkania z niewielką bryłą ciemnej materii.

Różnica okazała się naprawdę ogromna. Spośród około 15 tys. zasymulowanych strumieni po 5 mld lat zaledwie około 70 nie miało wykrywalnych zaburzeń swojego przebiegu. Mniej więcej 3/4 rozwinęło wyraźnie złożone struktury. Pojawiały się zakrzywienia, odnogi, poszerzenia, skupiska gwiazd i przerwy. Niektóre strumienie zostały zdeformowane tak mocno, że przestawały przypominać cienką linię.

Co istotne, nawet stosunkowo spokojne przykłady nie były idealne. Ich szerokość zmieniała się wzdłuż strumienia o około 10-25 proc., a symulacje tworzyły również zagęszczenia i przerwy o skalach około 2 stopni na niebie. Wcześniejsze modele przewidywały, że spotkania z takimi skupiskami mogą pozostawiać przerwy wielkości mniej więcej 1-5 stopni. Zakresy zaczynają się więc nakładać.

Jeżeli obserwator znajdzie kilkustopniową dziurę w prawdziwym strumieniu, sama jej obecność nie wystarczy już do stwierdzenia, że przez to miejsce przeleciało niewidoczne skupisko ciemnej materii.

Symulacje wskazały również bardzo wyraźną zależność od orbity. Najważniejszym parametrem okazała się najmniejsza odległość, na jaką strumień zbliża się do centrum swojej galaktyki.

Granica wypadała w okolicach 15 kiloparseków, czyli około 49 tys. lat świetlnych. Strumienie zapuszczające się bliżej centrum znacznie częściej stawały się mocno zdeformowane. Te pozostające na bardziej kołowych orbitach dalej niż około 20 kiloparseków, czyli 65 tys. lat świetlnych od centrum, należały do najspokojniejszych.

Wewnętrzna część galaktyki jest znacznie bardziej złożona, niż uproszczone modele mogą sugerować, więc ma to sens. Jest tam masywny dysk, jego nierównomierny rozkład materii, struktury powstające podczas ewolucji galaktyki i pole grawitacyjne zmieniające się przez miliardy lat.

Strumień pokonujący taki teren nie potrzebuje pojedynczego potężnego uderzenia. Kolejne, znacznie subtelniejsze zmiany pola grawitacyjnego mogą stopniowo wykrzywiać jego orbitę i zmieniać rozkład gwiazd. Badacze określają taki obraz jako grawitacyjnie szorstkie środowisko. Z punktu widzenia gwiazd Droga Mleczna nie jest więc spokojną miską, po której można poruszać się przez miliardy lat bez zakłóceń.

Najbardziej interesujące jest chyba to, że symulacje stworzyły struktury przypominające anomalie widoczne w rzeczywistych strumieniach. Jednym z najważniejszych obiektów tego typu jest GD-1, bardzo długi i cienki strumień odkryty w halo Drogi Mlecznej. Widać w nim charakterystyczną przerwę oraz boczną odnogę. Wcześniejsze analizy pokazywały, że taki ślad mógł powstać po spotkaniu z niewidzialnym obiektem o masie od około miliona do 100 mln mas Słońca.

To czyniło z GD-1 jednego z najciekawszych kandydatów na miejsce, w którym być może zobaczyliśmy skutki działania ciemnego subhalo. Nowe symulacje wytworzyły jednak analogiczne odnogi bez obecności takich niewielkich skupisk. Podobnie stało się w przypadku załamań przypominających strukturę obserwowaną w strumieniu ATLAS–Aliqa Uma. Nie dowodzi to, że prawdziwy GD-1 na pewno nigdy nie spotkał subhalo. Pokazuje jedynie, że wygląd takiej struktury nie jest unikalnym podpisem tego scenariusza. A to dla astronomii bardzo duża różnica.

Nowa praca w żadnym razie nie pokazuje jednak, że Droga Mleczna zachowuje się jak galaktyka pozbawiona ciemnej materii. Nie znaleziono też alternatywnego wyjaśnienia wszystkich obserwacji wskazujących na jej istnienie.

Symulowane galaktyki nadal posiadały rozległe halo ciemnej materii. Badacze usunęli z analizowanego pola przede wszystkim małe subhalo, których indywidualnych śladów chcemy szukać w strumieniach, oraz inne niewielkie obiekty zaburzające. Problem nie dotyczy pytania, czy ciemna materia istnieje, lecz znacznie bardziej szczegółowego pytania: jak jest rozmieszczona na małych skalach.

Model zimnej ciemnej materii przewiduje ogromną populację niewielkich subhalo. Wiele z nich może nigdy nie zgromadzić wystarczającej ilości gazu, aby zaczęły świecić gwiazdy, dlatego liczenie widzialnych galaktyk karłowatych nie pokaże ich pełnej populacji.

Strumienie gwiazd nadal mogą pozwolić nam je odnaleźć. Po nowych wynikach najpierw trzeba jednak nauczyć się odróżniać bliznę po subhalo od blizny pozostawionej przez samą ewolucję gospodarza.

Skala problemu szybko rośnie, ponieważ liczba znanych strumieni przestaje być liczona w pojedynczych przypadkach. W marcu opisywaliśmy odkrycie 87 kandydatów na nowe strumienie gwiazd w Drodze Mlecznej. Już wtedy było jasne, że ich kształt zależy nie tylko od ciemnych subhalo. Znaczenie mogą mieć galaktyczny pręt, dysk, Wielki Obłok Magellana, obłoki molekularne oraz wcześniejsza historia samej gromady, z której powstał strumień.

Przeczytaj także:

Nowa praca pokazuje skalę tego problemu. Gdy potencjał galaktyki potraktujemy jako dynamiczny i skomplikowany zamiast idealnie gładkiego, deformacje przestają być wyjątkiem. Stają się właściwie normą. Astronomowie nie mogą więc przyjąć, że idealną sytuacją wyjściową jest cienka, równa linia, a każde odstępstwo musi pochodzić od niewidzialnego obiektu. Najpierw potrzebny jest znacznie lepszy model tego, jak wygląda strumień, którego nic poza własną galaktyką nie potrąciło.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI