Rubin-observatoriet vil afsløre mørke ting spøgelsesagtige forstyrrelser af stjernernes strømme

Glitrende tråde af stjerner omkring Mælkevejen kan indeholde svar på et af vores største spørgsmål om universet:hvad er mørkt stof? Med billeder taget gennem seks forskellige farvefiltre monteret på det største kamera, der nogensinde er bygget til astronomi og astrofysik, vil Vera C. Rubin Observatorys kommende Legacy Survey of Space and Time afsløre aldrig før sete stjernestrømme omkring Mælkevejen – og de afslørende effekter af deres interaktioner med mørkt stof.

Lige så fascinerende som floder, der glitrer i sollys, sporer stjernernes strømme funklende buer gennem og omkring vores hjemlige galakse - Mælkevejen. Stjernestrømme er sammensat af stjerner, der oprindeligt var bundet i kuglehobe eller dværggalakser, men som er blevet forstyrret af tyngdekraftens interaktioner med vores galakse og trukket ind i lange, bagende linjer.

Disse slanke spor af stjerner viser ofte tegn på forstyrrelse, og videnskabsmænd formoder, at mørkt stof i mange tilfælde er synderen. Vera C. Rubin Observatory vil snart levere et væld af data til at belyse stjernernes strømme, mørkt stof og deres komplekse interaktioner.

Mørkt stof udgør 27 % af universet, men det kan ikke observeres direkte, og forskerne ved i øjeblikket ikke præcist, hvad det er. For at lære mere bruger de en række indirekte metoder til at undersøge dens natur. Nogle metoder, såsom svag gravitationslinser, kortlægger fordelingen af ​​mørkt stof på store skalaer over universet. Observation af stjernestrømme giver videnskabsmænd mulighed for at undersøge et andet aspekt af mørkt stof, fordi de viser fingeraftrykket af mørkt stofs gravitationseffekter i små skalaer.

Vera C. Rubin Observatory, der ligger i Chile, vil bruge et 8,4 meter teleskop udstyret med det største digitalkamera i verden til at udføre en 10-årig undersøgelse af hele himlen på den sydlige halvkugle begyndende i slutningen af ​​2025. De resulterende data, med billeder taget gennem seks forskellige farvefiltre, vil gøre det nemmere end nogensinde for forskere at isolere stjernestrømme mellem og uden for Mælkevejen og undersøge dem for tegn på forstyrrelse af mørkt stof.

"Jeg er virkelig begejstret for at bruge stjernestrømme til at lære om mørkt stof," sagde Nora Shipp, en postdoktor ved Carnegie Mellon University og medindkalder til Dark Matter Working Group i Rubin Observatory/LSST Dark Energy Science Collaboration. "Med Rubin Observatory vil vi være i stand til at bruge stjernestrømme til at finde ud af, hvordan mørkt stof er fordelt i vores galakse fra de største skalaer ned til meget små skalaer."

Rubin Observatory vil begynde videnskabelige operationer i slutningen af ​​2025. Rubin Observatory er et program af NSF NOIRLab, som sammen med SLAC National Accelerator Laboratory i fællesskab vil drive Rubin.

Beviser tyder på, at en sfærisk glorie af mørkt stof omgiver Mælkevejen, der består af mindre mørkt stofklumper. Disse klumper interagerer med andre strukturer, forstyrrer deres gravitationsdynamik og ændrer deres observerede udseende. I tilfælde af stjernestrømme vises resultaterne af interaktioner med mørkt stof som knæk eller huller i de stjerneklare stier.

Rubin Observatorys utroligt detaljerede billeder vil gøre det muligt for videnskabsmænd at identificere og undersøge meget subtile uregelmæssigheder i stjernestrømme og dermed udlede egenskaberne af de lavmasseklumper af mørkt stof, der forårsagede dem - selv indsnævre hvilke typer partikler disse klumper er lavet af .

"Ved at observere stjernestrømme vil vi være i stand til at tage indirekte målinger af Mælkevejens mørke stofklumper ned til masser lavere end nogensinde før, hvilket giver os virkelig gode begrænsninger på partikelegenskaberne af mørkt stof," sagde Shipp.

Stjernestrømme i de ydre områder af Mælkevejen er særligt gode kandidater til at observere virkningerne af mørkt stof, fordi de er mindre tilbøjelige til at være blevet påvirket af interaktioner med andre dele af Mælkevejen, hvilket kan forvirre billedet. Rubin Observatory vil være i stand til at detektere stjernestrømme i en afstand på omkring fem gange længere, end vi kan se nu, hvilket gør det muligt for forskere at opdage og observere en helt ny population af stjernestrømme i Mælkevejens ydre områder.

Stjernestrømme er udfordrende at skelne fra Mælkevejens mange andre stjerner. For at isolere stjernestrømme søger videnskabsmænd efter stjerner med specifikke egenskaber, der indikerer, at de sandsynligvis hørte sammen som kuglehobe eller dværggalakser. De analyserer derefter bevægelsen eller andre egenskaber af disse stjerner for at identificere dem, der er forbundet som en strøm.

"Stjernestrømme er som perlestrenge, hvis stjerner sporer systemets bane og har en fælles historie," siger Jaclyn Jensen, der er ph.d. kandidat ved University of Victoria, som planlægger at bruge Rubin/LSST-data til sin forskning i stjernestrømme og deres rolle i dannelsen af ​​Mælkevejen.

"Ved at bruge disse stjerners egenskaber kan vi bestemme informationer om deres oprindelse, og hvilke slags interaktioner strømmen kan have oplevet. Hvis vi finder en perlehalskæde med et par spredte perler i nærheden, kan vi udlede, at der kan være kommet noget til og knækket streng."

Rubin Observatorys 3200-megapixel LSST-kamera er udstyret med seks farvefiltre – herunder især et ultraviolet filter til stjernestrømsforskere som Shipp og Jensen. Rubins ultraviolette filter vil give kritisk information om den blå-ultraviolette ende af lysspektret, som vil gøre det muligt for forskere at skelne mellem de subtile forskelle og udrede stjernerne i en strøm fra stjerner, der ligner hinanden i Mælkevejen.

Samlet set vil Rubin give videnskabsfolk tusindvis af dybe billeder taget gennem alle seks filtre, hvilket giver dem et klarere overblik over stjernernes strømme end nogensinde før.

Den lavine af data, som Rubin vil levere, vil også inspirere til nye værktøjer og metoder til at isolere stjernestrømme. Som Shipp bemærker, "Lige nu er det en arbejdskrævende proces at udvælge potentielle strømme efter øje - Rubins store mængde data giver en spændende mulighed for at tænke på nye, mere automatiserede måder at identificere strømme på."

Leveret af National Science Foundation