Mælkevejssatellitterne hjælper med at afsløre forbindelsen mellem mørkt stof-haloer og galaksedannelse

Ligesom solen har planeter og planeterne har måner, vores galakse har satellitgalakser, og nogle af dem kan have deres egne mindre satellitgalakser. For at vide, den store magellanske sky (LMC), en relativt stor satellitgalakse synlig fra den sydlige halvkugle, menes at have bragt mindst seks af sine egne satellitgalakser med sig, da den først nærmede sig Mælkevejen, baseret på nylige målinger fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-mission.

Astrofysikere mener, at mørkt stof er ansvarlig for meget af den struktur, og nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Dark Energy Survey trukket på observationer af svage galakser omkring Mælkevejen for at sætte strammere begrænsninger på sammenhængen mellem størrelsen og strukturen af ​​galakser og de mørke stof-haloer, der omgiver dem . På samme tid, de har fundet flere beviser for eksistensen af ​​LMC-satellitgalakser og lavet en ny forudsigelse:Hvis forskernes modeller er korrekte, Mælkevejen skulle have yderligere 150 eller flere meget svage satellitgalakser, der afventer opdagelse af næste generations projekter såsom Vera C. Rubin Observatory's Legacy Survey of Space and Time.

Den nye undersøgelse, kommende i Astrofysisk tidsskrift og tilgængelig som fortryk her, er en del af en større indsats for at forstå, hvordan mørkt stof fungerer på skalaer, der er mindre end vores galakse, sagde Ethan Nadler, undersøgelsens første forfatter og en kandidatstuderende ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) og Stanford University.

"Vi ved nogle ting om mørkt stof meget godt - hvor meget mørkt stof er der, hvordan klynger det – men alle disse udsagn kvalificeres ved at sige, Ja, det er sådan den opfører sig på skalaer større end størrelsen af ​​vores lokale gruppe af galakser, " sagde Nadler. "Og så er spørgsmålet, virker det på de mindste skalaer, vi kan måle?"

Lysende galaksers lys på mørkt stof

Astronomer har længe vidst, at Mælkevejen har satellitgalakser, inklusive den store magellanske sky, som kan ses med det blotte øje fra den sydlige halvkugle, men man mente, at tallet var omkring et dusin eller deromkring indtil omkring år 2000. Siden da, antallet af observerede satellitgalakser er steget dramatisk. Takket være Sloan Digital Sky Survey og nyere opdagelser fra projekter, herunder Dark Energy Survey (DES), antallet af kendte satellitgalakser er steget til omkring 60.

Sådanne opdagelser er altid spændende, men det, der måske er mest spændende, er, hvad dataene kunne fortælle os om kosmos. "For første gang, vi kan lede efter disse satellitgalakser på tværs af omkring tre fjerdedele af himlen, og det er virkelig vigtigt for flere forskellige måder at lære om mørkt stof og galaksedannelse på, " sagde Risa Wechsler, direktør for KIPAC. Sidste år, for eksempel, Wechsler, Nadler og kolleger brugte data om satellitgalakser i forbindelse med computersimuleringer til at sætte meget strammere grænser for mørkt stofs interaktioner med almindeligt stof.

Nu, Wechsler, Nadler og DES-teamet bruger data fra en omfattende søgning over det meste af himlen til at stille forskellige spørgsmål, inklusive hvor meget mørkt stof der skal til for at danne en galakse, hvor mange satellitgalakser vi skal forvente at finde omkring Mælkevejen, og om galakser kan bringe deres egne satellitter i kredsløb omkring vores egen - en nøgleforudsigelse af den mest populære model af mørkt stof.

Antydninger af galaktisk hierarki

Svaret på det sidste spørgsmål ser ud til at være et rungende "ja".

Muligheden for at detektere et hierarki af satellitgalakser opstod først for nogle år tilbage, da DES opdagede flere satellitgalakser i nærheden af ​​Den Store Magellanske Sky, end de ville have forventet, hvis disse satellitter var tilfældigt fordelt på himlen. Disse observationer er særligt interessante, Nadler sagde, i lyset af Gaia-målingerne, hvilket indikerede, at seks af disse satellitgalakser faldt i Mælkevejen med LMC.

For at studere LMC's satellitter mere grundigt, Nadler og team analyserede computersimuleringer af millioner af mulige universer. Disse simuleringer, oprindeligt drevet af Yao-Yuan Mao, en tidligere kandidatstuderende hos Wechsler, som nu er på Rutgers University, modellere dannelsen af ​​mørkt stofstruktur, der gennemsyrer Mælkevejen, herunder detaljer såsom mindre klumper af mørkt stof i Mælkevejen, der forventes at være vært for satellitgalakser. For at forbinde mørkt stof med galaksedannelse, forskerne brugte en fleksibel model, der giver dem mulighed for at redegøre for usikkerheder i den nuværende forståelse af galaksedannelse, herunder forholdet mellem galaksers lysstyrke og massen af ​​mørkt stofklumper, inden for hvilke de dannes.

En indsats ledet af de andre i DES-teamet, herunder tidligere KIPAC-studerende Alex Drlica-Wagner, en Wilson Fellow ved Fermilab og en assisterende professor i astronomi og astrofysik ved University of Chicago, og Keith Bechtol, en assisterende professor i fysik ved University of Wisconsin-Madison, og deres samarbejdspartnere producerede det afgørende sidste trin:en model af, hvilke satellitgalakser med størst sandsynlighed vil blive set af aktuelle undersøgelser, givet hvor de er på himlen såvel som deres lysstyrke, størrelse og afstand.

Disse komponenter i hånden, holdet kørte deres model med en lang række parametre og søgte efter simuleringer, hvor LMC-lignende objekter faldt ind i tyngdekraften fra en Mælkevejslignende galakse. Ved at sammenligne disse tilfælde med galaktiske observationer, de kunne udlede en række astrofysiske parametre, herunder hvor mange satellitgalakser der skulle have mærket sammen med LMC. Resultaterne, Nadler sagde, var i overensstemmelse med Gaia-observationer:Seks satellitgalakser skulle i øjeblikket detekteres i nærheden af ​​LMC, bevæger sig med nogenlunde de rigtige hastigheder og nogenlunde de samme steder, som astronomer tidligere havde observeret. Simuleringerne antydede også, at LMC først nærmede sig Mælkevejen for omkring 2,2 milliarder år siden, i overensstemmelse med højpræcisionsmålinger af bevægelsen af ​​LMC fra Hubble-rumteleskopet.

Galakser, der endnu ikke er set

Ud over LMC-resultaterne, holdet satte også grænser for forbindelsen mellem mørkt stof-haloer og galaksestruktur. For eksempel, i simuleringer, der mest matchede historien om Mælkevejen og LMC, de mindste galakser, astronomer i øjeblikket kunne observere, skulle have stjerner med en samlet masse på omkring hundrede sole, og omkring en million gange så meget mørkt stof. Ifølge en ekstrapolering af modellen, de svageste galakser, der nogensinde kunne observeres, kan dannes i glorier op til hundrede gange mindre massive end det.

Og der kan komme flere opdagelser:Hvis simuleringerne er korrekte, Nadler sagde, der er omkring 100 flere satellitgalakser - mere end det dobbelte af antallet, der allerede er opdaget - svæver rundt om Mælkevejen. Opdagelsen af ​​disse galakser ville hjælpe med at bekræfte forskernes model af forbindelserne mellem mørkt stof og galaksedannelse, han sagde, og sandsynligvis lægge strammere begrænsninger på selve mørkt stofs natur.

Forskningen var et samarbejde inden for Dark Energy Survey, ledet af Mælkevejens arbejdsgruppe, med betydelige bidrag fra juniormedlemmer, herunder Sidney Mau, en bachelor ved University of Chicago, og Mitch McNanna, en kandidatstuderende ved UW-Madison. Forskningen blev støttet af et National Science Foundation Graduate Fellowship, af Department of Energy's Office of Science gennem SLAC, og af Stanford University.