Astronomer opdager udvidet mørkt stof-halo omkring oldtidens dværggalakse

Mælkevejen er omgivet af snesevis af dværggalakser, der menes at være relikvier fra de allerførste galakser i universet. Blandt de mest primitive af disse galaktiske fossiler er Tucana II - en ultrasvag dværggalakse, der er omkring 50 kiloparsecs, eller 163, 000 lysår, fra Jorden.

Nu har MIT-astrofysikere opdaget stjerner ved kanten af ​​Tucana II, i en konfiguration, der er overraskende langt fra dens centrum, men alligevel fanget af den lille galakses tyngdekraft. Dette er det første bevis på, at Tucana II er vært for en udvidet mørkt stof-halo - et område med gravitationsbundet stof, som forskerne beregnede til at være tre til fem gange mere massiv, end forskerne havde estimeret. Denne opdagelse af fjerntliggende stjerner i en gammel dværggalakse antyder, at de allerførste galakser i universet sandsynligvis også var udvidede og mere massive end tidligere antaget.

"Tucana II har meget mere masse, end vi troede, for at binde disse stjerner, der er så langt væk, " siger MIT kandidatstuderende Anirudh Chiti. "Dette betyder, at andre relikvie første galakser sandsynligvis også har den slags udvidede glorier."

Forskerne fastslog også, at stjernerne i udkanten af ​​Tucana II er mere primitive end stjernerne i galaksens kerne. Dette er det første bevis på en sådan stjerneubalance i en ultrasvag dværggalakse.

Den unikke konfiguration antyder, at den gamle galakse kan have været et produkt af en af ​​de første fusioner i universet, mellem to spædbarnsgalakser - den ene lidt mindre primitiv end den anden.

"Vi ser muligvis den første signatur af galaktisk kannibalisme, " siger Anna Frebel, Silverman Family Career Development Associate Professor of Physics ved MIT. "En galakse kan have spist en af ​​dens lidt mindre, mere primitive naboer, der så spildte alle sine stjerner ud i udkanten."

Frebel, Chiti, og deres kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i Natur astronomi .

Ikke-så-små galakser

Tucana II er en af ​​de mest primitive dværggalakser, der er kendt, baseret på metalindholdet i dens stjerner. Stjerner med lavt metalindhold er sandsynligvis dannet meget tidligt, da universet endnu ikke producerede tunge grundstoffer. I tilfældet med Tucana II, astronomer havde tidligere identificeret en håndfuld stjerner omkring galaksens kerne med så lavt metalindhold, at galaksen blev anset for at være den mest kemisk primitive af de kendte ultrasvage dværggalakser.

Chiti og Frebel spekulerede på, om den gamle galakse kunne rumme andre, endnu ældre stjerner, der kan kaste lys over dannelsen af ​​universets første galakser. For at teste denne idé, de opnåede observationer af Tucana II gennem SkyMapper Telescope, et optisk jordbaseret teleskop i Australien, der tager vid udsigt over den sydlige himmel.

Holdet brugte et billedfilter på teleskopet til at spotte primitiv, metalfattige stjerner ud over galaksens kerne. Holdet kørte en algoritme, udviklet af Chiti, gennem de filtrerede data for effektivt at udvælge stjerner med lavt metalindhold, inklusive de tidligere identificerede stjerner i midten og ni nye stjerner meget længere ude fra den galaktiske kerne.

"Anis analyse viser en kinematisk sammenhæng, at disse langt ude stjerner bevæger sig i låsetrin med de indre stjerner, som badevand, der går i afløbet, " tilføjer Frebel.

Resultaterne tyder på, at Tucana II skal have en udvidet mørk stof-halo, der er tre til fem gange mere massiv end tidligere antaget, for at den kan holde tyngdekraften på disse fjerne stjerner. Mørkt stof er en hypotetisk type stof, der menes at udgøre mere end 85 procent af universet. Hver galakse menes at blive holdt sammen af ​​en lokal koncentration, eller halo, af mørkt stof.

"Uden mørkt stof, galakser ville bare flyve fra hinanden, " Chiti. siger. "[Mørkt stof] er en afgørende ingrediens i at lave en galakse og holde den sammen."

Holdets resultater er det første bevis på, at en ultrasvag dværggalakse kan rumme en udvidet mørk stof-halo.

"Dette betyder sandsynligvis også, at de tidligste galakser blev dannet i meget større mørkt stof-haloer end tidligere antaget, " siger Frebel. "Vi har troet, at de første galakser var de mindste, vimmeste galakser. Men de kan faktisk have været flere gange større, end vi troede, og ikke så lille alligevel."

"En kannibalistisk historie"

Chiti og Frebel fulgte op på deres første resultater med observationer af Tucana II taget af Magellan-teleskoperne i Chile. med Magellan, holdet fokuserede på galaksens metalfattige stjerner for at udlede deres relative metalliciteter, og opdagede, at de ydre stjerner var tre gange mere metalfattige, og derfor mere primitiv, end dem i centrum.

"Det er første gang, vi har set noget, der ligner en kemisk forskel mellem de indre og ydre stjerner i en gammel galakse, " siger Chiti.

En sandsynlig forklaring på ubalancen kan være en tidlig galaktisk fusion, hvor en lille galakse – muligvis blandt den første generation af galakser, der blev dannet i universet – slugte en anden nærliggende galakse. Denne galaktiske kannibalisme forekommer konstant i hele universet i dag, men det var uklart, om tidlige galakser smeltede sammen på lignende måde.

"Tucana II vil til sidst blive spist af Mælkevejen, ingen nåde, " siger Frebel. "Og det viser sig, at denne gamle galakse kan have sin egen kannibalistiske historie."

Holdet planlægger at bruge deres tilgang til at observere andre ultrasvage dværggalakser omkring Mælkevejen, i håb om at opdage endnu ældre, længere slyngede stjerner.

"Der er sandsynligvis mange flere systemer, måske dem alle, der har disse stjerner blinkende i deres udkanter, " siger Frebel.