Die langsameren äußeren Sterne in der Milchstraße weisen darauf hin, dass die Dunkle Materie übertrieben ist

Massachusetts Institute of TechnologyExterne Studie zeigt Milchstraße Die Sterne rotieren langsamer, was auf einen helleren Kern mit weniger dunkler Materie hinweist, was früheren Annahmen widerspricht.

Indem sie die Geschwindigkeit von Sternen in der gesamten Milchstraße aufzeichneten, stellten MIT-Physiker fest, dass sich Sterne in der galaktischen Scheibe langsamer bewegen als erwartet, verglichen mit Sternen, die näher am galaktischen Zentrum liegen. Die Ergebnisse lassen eine überraschende Möglichkeit aufkommen: Der Gravitationskern der Milchstraße könnte heller sein und weniger dunkle Materie enthalten als bisher angenommen.

Die neuen Erkenntnisse basieren auf der Analyse der von Gaia- und APOGEE-Instrumenten erfassten Daten durch das Team. Gaia ist ein umlaufendes Weltraumteleskop, das die genaue Position, Entfernung und Bewegung von mehr als einer Milliarde Sternen in der Milchstraße verfolgt, während APOGEE eine bodengestützte Durchmusterung ist. Physiker analysierten Gaias Messungen von mehr als 33.000 Sternen, darunter einige der am weitesten entfernten Sterne der Galaxie, und ermittelten die „Kreisgeschwindigkeit“ jedes Sterns, also wie schnell sich der Stern in der galaktischen Scheibe dreht, angesichts der Entfernung des Sterns vom Zentrum die Galaxie. .

Galaktische Rotation verstehen

Wissenschaftler haben die Geschwindigkeit jedes Sterns gegen seine Entfernung aufgetragen, um eine Rotationskurve zu erstellen, eine Standardgrafik in der Astronomie, die darstellt, wie schnell sich Materie in einer bestimmten Entfernung vom Zentrum der Galaxie dreht. Die Form dieser Kurve kann Wissenschaftlern eine Vorstellung davon geben, wie viel sichtbare und dunkle Materie in der Galaxie verteilt ist.

„Was uns wirklich überraschte, war, dass diese Kurve über eine gewisse Distanz flach, flach, flach blieb und dann begann, abzufallen“, sagt Lina Naguib, Assistenzprofessorin für Physik am MIT. „Das bedeutet, dass die äußeren Sterne etwas langsamer rotieren als erwartet, was ein sehr überraschendes Ergebnis ist.“

Eine Studie von Physikern des Massachusetts Institute of Technology legt nahe, dass der Gravitationskern der Milchstraße möglicherweise eine geringere Masse hat und weniger Dunkle Materie enthält als bisher angenommen. Bildquelle: ESA/Gaia/DPAC, herausgegeben von MIT News

Herausfordernde Theorien zur Dunklen Materie

Das Team übersetzte die neue Rotationskurve in eine Verteilung der Dunklen Materie, die die Verlangsamung von Exosternen erklären könnte, und stellte fest, dass die resultierende Karte einen helleren Galaxienkern als erwartet ergab. Das heißt, das Zentrum der Milchstraße könnte weniger dicht sein und weniger dunkle Materie enthalten, als Wissenschaftler denken.

„Dadurch steht dieses Ergebnis im Widerspruch zu anderen Messungen“, sagt Najeeb. „Irgendwo geht etwas Verdächtiges vor sich, und es ist wirklich interessant herauszufinden, wo das ist, um ein zusammenhängendes Bild der Milchstraße zu erhalten.“

Das Team gibt seine Ergebnisse diesen Monat bekannt Monatliche Mitteilungen des Journal of the Royal Society. Co-Autoren der Studie vom MIT, darunter Nassib, sind die Erstautorin Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers und Anna Friebel.

„im Nichts“

Wie die meisten Galaxien im Universum dreht sich die Milchstraße wie Wasser in einem Wirbel, wobei ihre Rotation teilweise durch die gesamte Materie angetrieben wird, die in ihrer Scheibe wirbelt. In den 1970er Jahren bemerkte die Astronomin Vera Rubin als erste, dass Galaxien auf eine Weise rotieren, die nicht durch rein sichtbare Materie angetrieben werden kann. Sie und ihre Kollegen haben die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen gemessen und festgestellt, dass die resultierenden Rotationskurven überraschend flach waren. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Sterne in der gesamten Galaxie gleich blieb und nicht mit der Entfernung abnahm. Sie kamen zu dem Schluss, dass eine andere Art unsichtbarer Materie auf entfernte Sterne einwirken muss, um ihnen einen zusätzlichen Schub zu verleihen.

Rubins Arbeit über Rotationskurven war einer der ersten starken Beweise für die Existenz dunkler Materie, einer unsichtbaren und unbekannten Einheit, die schätzungsweise alle Sterne und andere sichtbare Materie im Universum überwiegt.

Seitdem haben Astronomen ähnliche flache Kurven in entfernten Galaxien beobachtet, was die Existenz dunkler Materie stützt. Erst kürzlich haben Astronomen versucht, die Rotationskurve unserer Galaxie mit Sternen aufzuzeichnen.

„Es stellt sich heraus, dass es schwierig ist, die Rotationskurve zu messen, wenn man in einer Galaxie sitzt“, sagt Au.

Neue Erkenntnisse aus Gaia-Daten

Im Jahr 2019 zeichnete Anna Christina Ehlers, Assistenzprofessorin für Physik am MIT, die Rotationskurve der Milchstraße anhand eines früheren Datensatzes des Gaia-Satelliten. Diese Datenveröffentlichung umfasste Sterne, die bis zu 25 Kiloparsec oder etwa 81.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt waren.

Basierend auf diesen Daten beobachtete Ehlers, dass die Rotationskurve der Milchstraße ähnlich wie bei anderen entfernten Galaxien flach erscheint, wenn auch mit einem leichten Gefälle, und daraus lässt sich schließen, dass die Galaxie in ihrem Kern wahrscheinlich eine hohe Dichte dunkler Materie trägt. Doch diese Meinung hat sich nun geändert, da das Teleskop einen neuen Datensatz veröffentlicht hat, der diesmal Sterne umfasst, die bis zu 30 Kiloparsec entfernt sind, also etwa 100.000 Lichtjahre vom galaktischen Kern entfernt.

„In diesen Entfernungen befinden wir uns am Rand der Galaxie, wo die Sterne zu verblassen beginnen“, sagt Fripple. „Niemand hat erforscht, wie sich Materie in dieser äußeren Galaxie bewegt, wo wir uns buchstäblich im Nichts befinden.“

Seltsame Spannung

Frebel, Naguib, Au und Ehlers griffen auf die neuen Gaia-Daten zurück und versuchten, die ursprüngliche Rotationskurve von Ehlers zu erweitern. Um ihre Analyse zu verbessern, ergänzte das Team die Gaia-Daten durch Messungen von APOGEE – dem Galaxy Evolution Experiment des Apache Point Observatory, das hochdetaillierte Eigenschaften von mehr als 700.000 Sternen in der Milchstraße misst, wie etwa ihre Helligkeit, Temperatur und Elementzusammensetzung.

„Wir speisen all diese Informationen in einen Algorithmus ein, um Zusammenhänge zu erlernen, die uns dann bessere Schätzungen der Entfernung zum Stern ermöglichen können“, erklärt Au. „So können wir weiter voranschreiten.“

Das Team bestimmte die genauen Entfernungen von mehr als 33.000 Sternen und erstellte anhand dieser Messungen eine 3D-Karte der Sterne, die sich über die Milchstraße bis zu einer Größe von etwa 30 Kiloparsec verteilen. Anschließend kombinierten sie diese Karte zu einem Modell der Kreisgeschwindigkeit und simulierten so die Geschwindigkeit, mit der sich ein Stern bewegen sollte, wobei sie die Verteilung aller anderen Sterne in der Galaxie berücksichtigten. Anschließend zeichneten sie die Geschwindigkeit und Entfernung jedes Sterns auf einer Karte auf, um eine aktualisierte Rotationskurve für die Milchstraße zu erstellen.

„Hier kam das Seltsame“, sagt Naguib.

Anstelle eines leichten Abfalls wie bei früheren Rotationskurven stellte das Team fest, dass die neue Kurve am äußeren Ende stärker abfiel als erwartet. Dieser unerwartete Rückgang weist darauf hin, dass sich Sterne zwar bis zu einer bestimmten Entfernung mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen, bei größeren Entfernungen jedoch plötzlich langsamer werden. Die Sterne in den Vorstädten scheinen sich langsamer zu bewegen als erwartet.

Entdecken Sie die Geheimnisse der Galaxie

Als das Team diese Rotationskurve in die Menge an dunkler Materie umwandelte, die in der gesamten Galaxie vorhanden sein sollte, stellten sie fest, dass der Kern der Milchstraße möglicherweise weniger dunkle Materie enthält als zuvor angenommen.

„Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu anderen Messungen“, sagt Najeeb. „Dieses Ergebnis wirklich zu verstehen, wird tiefgreifende Konsequenzen haben. Dies könnte zu mehr verborgenen Massen jenseits des Randes der galaktischen Scheibe oder zu einer Änderung des Gleichgewichtszustands unserer Galaxie führen. Wir versuchen, diese Antworten in kommenden Arbeiten mit hoher Auflösung zu finden.“ Simulationen milchstraßenähnlicher Galaxien.

Referenz: „Dunkles Materiebild der Milchstraße, abgeleitet aus ihrer kreisförmigen Geschwindigkeitskurve“ von Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib und Anna Friebel, 08. Januar 2024, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation finanziert.