天文學家發布新的銀河系外圍全天空地圖 或為暗物質理論提供新的檢驗標准

據媒體報導,天文學家利用美國宇航局和歐空局望遠鏡的數據,發布了一張我們銀河系最外層區域的新的全天空地圖。這個區域被稱為銀河系的光暈 ,位於形成銀河系可識別的中心盤的旋轉旋臂之外,並稀疏地布滿了恆星。盡管光暈可能看起來大部分是空的,但據預測它也包含一個巨大的暗物質庫,這種神秘的、看不見的物質被認為構成了宇宙中所有質量的大部分。

天文學家發布新的銀河系外圍全天空地圖 或為暗物質理論提供新的檢驗標准

新地圖的數據來自歐空局的蓋亞任務和美國宇航局的近地天體廣域紅外巡天探測器(NEOWISE),該探測器在2009年至2013年期間以WISE的名義運行。這項研究利用了太空飛行器在2009年至2018年間收集的數據。

這張新地圖揭示了一個叫做大麥哲倫星系(LMC)的小星系是如何被命名的–因為它是圍繞銀河系運行的兩個矮星系中較大的一個–像一艘船在水中航行一樣穿過銀河系的光暈,它的引力在它身後的恆星中產生了一個尾流。LMC距離地球約16萬光年,質量不到銀河系的四分之一。

盡管光暈的內部部分已經被高度精確地繪制出來,但這是第一張提供光暈外部區域的類似圖片的地圖,在那里可以找到尾流–距離銀河系中心大約20萬光年到32.5萬光年。以前的研究已經暗示了尾流的存在,但是全天空地圖證實了它的存在,並提供了它的形狀、大小和位置的詳細視圖。

光暈中的這種干擾也為天文學家提供了一個研究他們無法直接觀察到的東西的機會:暗物質。雖然它不會發射、反射或吸收光線,但暗物質的引力影響已經在整個宇宙中被觀察到。它被認為是建立星系的「腳手架」,如果沒有它,星系會在旋轉中飛散。

盡管關於暗物質的性質有多種理論,但所有這些理論都表明,它應該存在於銀河系的光暈中。如果是這樣的話,那麼當LMC經過這個區域時,它也應該在暗物質中留下一個尾跡。在新星圖中觀察到的尾流被認為是這個暗物質尾流的輪廓;恆星就像這個看不見的海洋表面上的葉子,它們的位置隨著暗物質的變化而變化。

暗物質和大麥哲倫雲之間的相互作用對我們的銀河系有很大影響。當大麥哲倫雲繞著銀河系運行時,暗物質的引力會拖住大麥哲倫雲並使其減速。這將導致這個矮星系的軌道越來越小,直到這個星系在大約20億年後最終與銀河系相撞。這些類型的合並可能是整個宇宙中大質量星系增長的一個關鍵驅動力。事實上,天文學家認為銀河系在大約100億年前與另一個小星系合並了。

“這種對較小星系能量的掠奪不僅是LMC與銀河系合並的原因,也是所有星系合並發生的原因,”哈佛大學天文學博士生、這篇新論文的共同作者Rohan Naidu說。”我們地圖中的醒覺是一個非常巧妙的確認,我們對星系如何合並的基本描述是正確的!”

一個罕見的機會

這篇論文的作者還認為,新的地圖–連同額外的數據和理論分析–可能為有關暗物質性質的不同理論提供一個測試,例如它是否由粒子組成,像普通物質一樣,以及這些粒子的屬性是什麼。

“你可以想像,如果船在水中航行或在蜂蜜中航行,船後的尾流將是不同的,”查理-康羅伊說,他是哈佛大學教授和天體物理學中心的天文學家他是這項研究的合著者。”在這種情況下,尾流的特性是由我們應用哪種暗物質理論決定的。”

康羅伊領導的團隊繪制了光暈中1300多顆恆星的位置。挑戰出現在試圖測量從地球到這些恆星中很大一部分的確切距離。通常不可能弄清楚一顆恆星是微弱的、靠近的還是明亮的、遙遠的。該小組使用了來自歐空局蓋亞任務的數據,該任務提供了天空中許多恆星的位置,但不能測量與銀河系外圍區域的恆星的距離。

在確定了最有可能位於光暈中的恆星(因為它們顯然不在我們的銀河系或LMC內)之後,研究小組尋找屬於一類具有NEOWISE可探測到的特定光 “特徵 “的巨型恆星。知道了所選恆星的基本屬性,研究小組就可以計算出它們與地球的距離,並繪制出新的地圖。它描繪了一個從銀河系中心開始約20萬光年的區域,或者說是預測的LMC的尾流開始的地方,並在此基礎上延伸了約12.5萬光年。

康羅伊和他的同事在了解到位於圖森的亞利桑那大學的一個天體物理學家小組製作計算機模型,預測銀河系光暈中的暗物質應該是什麼樣子之後,受到了啟發,開始尋找LMC的尾流。這兩個小組共同進行了這項新的研究。

亞利桑那小組的一個模型,包括在新的研究中,預測了新地圖中顯示的星體尾流的一般結構和具體位置。一旦數據證實該模型是正確的,研究小組就可以確認其他調查也暗示的內容:LMC很可能是在其圍繞銀河系的第一個軌道上。如果這個較小的星系已經進行了多次運行,那麼尾流的形狀和位置就會與已經觀察到的情況明顯不同。天文學家認為,LMC與銀河系和附近的另一個星系M31在相同的環境中形成,而且它接近完成圍繞我們銀河系的漫長的第一條軌道(大約130億年)。由於它與銀河系的相互作用,它的下一個軌道將大大縮短。

亞利桑那大學天文學博士生Nicolás Garavito-Camargo說:「用觀測數據證實我們的理論預測告訴我們,我們對這兩個星系之間互動的理解,包括暗物質,是在正確的軌道上。」

新地圖還為天文學家提供了一個難得的機會來測試我們自己星系中的暗物質的特性。在新研究中,Garavito-Camargo及其同事使用了一種叫做冷暗物質的流行暗物質理論,該理論與觀察到的星圖相對吻合。現在,亞利桑那大學的團隊正在運行使用不同暗物質理論的模擬,看看哪一種最符合在恆星中觀察到的尾流。

“這是一組非常特殊的情況,它們共同創造了這種情景,讓我們測試我們的暗物質理論,”該研究的共同作者、亞利桑那大學的副教授古爾蒂娜-貝斯拉說。”但是我們只能通過這個新地圖和我們建立的暗物質模擬的結合來實現這個測試。”

WISE太空飛行器於2009年發射,在完成其主要任務後於2011年進入休眠狀態。2013年9月,美國宇航局重新啟動了該太空飛行器,主要目標是掃描近地天體,該任務和太空飛行器被重新命名為NEOWISE。位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室為美國宇航局的科學任務局管理和運行WISE。這項任務是在美國宇航局的探索者計劃下通過競爭選出的,由該機構位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心管理。NEOWISE是加州理工學院下屬的JPL和亞利桑那大學的一個項目,由NASA的行星防禦協調辦公室支持。

來源:cnBeta