Tak jak słońce ma planety, a planety mają księżyce, nasza galaktyka ma galaktyki satelitarne, a niektóre z nich mogą mieć własne mniejsze galaktyki satelitarne. To znaczy, że Wielki Obłok Magellana (LMC), stosunkowo duża galaktyka satelitarna widoczna z półkuli południowej, prawdopodobnie przywiodła ze sobą co najmniej sześć własnych galaktyk satelitarnych, gdy po raz pierwszy zbliżyła się do Drogi Mlecznej. Tak przynajmniej wskazują najnowsze pomiary wykonane przez satelitę Gaia.
Astrofizycy uważają, że ciemna materia jest odpowiedzialna za znaczną część tej struktury, a teraz naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory i Dark Energy Survey opierając się na obserwacjach słabych (ciemnych) galaktyk wokół Drogi Mlecznej, nałożyli ograniczenia na związek między rozmiarami i budową galaktyk a otaczającymi je halo ciemnej materii. Jednocześnie naukowcy znaleźli więcej dowodów na istnienie galaktyk satelitarnych LMC i opracowali nowe wnioski: jeśli modele naukowców są poprawne, Droga Mleczna powinna mieć dodatkowe 150 lub więcej bardzo słabych galaktyk satelitarnych oczekujących na odkrycie za pomocą przyszłych teleskopów i obserwatoriów takich jak chociażby Obserwatorium im. Very C. Rubin.
Nowy artykuł, który wkrótce pojawi się w czasopiśmie Astrophysical Journal jest częścią większego projektu, w ramach którego naukowcy zmierzają do zrozumienia, w jaki sposób ciemna materia działa w skali mniejszej od skali naszej galaktyki, mówi Ethan Nadler, główny autor opracowania i doktorant w Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) i Stanford University.
Wiemy bardzo dobrze pewne rzeczy o ciemnej materii – ile jest ciemnej materii, w jaki sposób się ona gromadzi – ale wszystkie te stwierdzenia są kwalifikowane poprzez stwierdzenie: tak, tak zachowuje się w skalach większych niż rozmiary naszej lokalnej grupy galaktyk – powiedział Nadler. A zatem pytanie brzmi, czy to działa w najmniejszej skali, jaką potrafimy zmierzyć?
Blask galaktyk oświetla ciemną materię
Astronomowie od dawna wiedzą, że Droga Mleczna ma galaktyki satelitarne, w tym Wielki Obłok Magellana, który można zobaczyć gołym okiem z półkuli południowej. Do 2000 r. uważano jednak, że jest ich zaledwie kilkanaście. Z czasem liczba obserwowanych galaktyk satelitarnych dramatycznie wzrosła. Dzięki Sloan Digital Sky Survey i Dark Energy Survey (DES), liczba znanych galaktyk satelitarnych wzrosła do około 60.
Takie odkrycia są zawsze ekscytujące, ale być może najbardziej ekscytujące jest to, co dane mogłyby nam powiedzieć o kosmosie.
„Po raz pierwszy możemy szukać tych galaktyk satelitarnych na około trzech czwartych nieba, a to jest naprawdę ważne dla kilku różnych sposobów badania ciemnej materii i procesów formowania się galaktyk” – mówi Risa Wechsler, dyrektor KIPAC. Na przykład w ubiegłym roku Wechsler, Nadler i współpracownicy wykorzystali dane dotyczące galaktyk satelitarnych w połączeniu z symulacjami komputerowymi, aby nałożyć znacznie ściślejsze ograniczenia na interakcje ciemnej materii z materią barionową.
Teraz Wechsler, Nadler i zespół DES wykorzystują dane z kompleksowego przeglądu większości nieba, aby stawiać różne pytania, w tym: ile ciemnej materii potrzeba do utworzenia galaktyki, ile galaktyk satelitarnych powinniśmy znaleźć wokół Drogi Mlecznej oraz czy galaktyki mogą przenosić własne galaktyki satelitarne na orbitę wokół naszej galaktyki – co jest najważniejszą prognozą najpopularniejszego obecnie modelu ciemnej materii.
Galaktyczna hierarchia?
Odpowiedź na to ostatnie pytanie wydaje się brzmieć „tak”.
Możliwość wykrycia hierarchii galaktyk satelitarnych pojawiła się po raz pierwszy kilka lat temu, gdy DES wykrył więcej galaktyk satelitarnych w pobliżu Wielkiego Obłoku Magellana, niż można by się spodziewać, gdyby satelity te były losowo rozmieszczone na niebie. Obserwacje te są szczególnie interesujące w świetle pomiarów wykonanych przez satelitę Gaia, które wskazały, że sześć z tych galaktyk satelitarnych wpadło do Drogi Mlecznej wraz z LMC.
Aby dokładniej zbadać satelity LMC, Nadler i jej zespół przeanalizowali symulacje komputerowe milionów możliwych wszechświatów. Te symulacje, pierwotnie przeprowadzone przez Yao-Yuan Mao, byłego doktoranta Wechslera, obecnie pracującego na Uniwersytecie Rutgers, modelują tworzenie struktury ciemnej materii, która przenika Drogę Mleczną, w tym szczegóły, takie jak mniejsze grudki ciemnej materii w Drodze Mlecznej, w której mogą znajdować się galaktyki satelitarne. Aby połączyć ciemną materię z procesami powstawania galaktyk, naukowcy zastosowali elastyczny model, który pozwala im uwzględnić niepewności w obecnym rozumieniu tworzenia się galaktyk, w tym związek między jasnością galaktyk a masą grudek ciemnej materii, w której powstają.
Wysiłki pozostałych członków zespołu DES i ich współpracowników doprowadziły do opracowania kluczowego ostatniego elementu: modelu opisującego, które galaktyki satelitarne można dostrzec za pomocą obecnych przeglądów w zależności od ich położenia na niebie, jasności, rozmiarów i odległości.
Mając te elementy w ręku, badacze zastosowali model uzupełniony o wiele parametrów poszukując symulacji, w których obiekty podobne do LMC wpadały w pole grawitacyjne galaktyki podobnej do Drogi Mlecznej. Porównując te przypadki z obserwacjami galaktyk, mogli wywnioskować zakres parametrów astrofizycznych, w tym liczbę galaktyk satelitarnych, które powinny podążać wraz z LMC. Wyniki symulacji były zgodne z obserwacjami prowadzonymi za pomocą satelity Gaia: sześć galaktyk satelitarnych powinno być obecnie dostrzegalnych w pobliżu LMC, poruszając się z mniej więcej takimi samymi prędkościami i w przybliżeniu w tych samych miejscach, w których wcześniej obserwowali je astronomowie. Symulacje sugerowały również, że LMC po raz pierwszy zbliżył się do Drogi Mlecznej około 2,2 miliarda lat temu, co zgadza się z bardzo precyzyjnymi pomiarami ruchu LMC wykonanymi za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.
Galaktyki jeszcze niedostrzeżone
Oprócz odkryć LMC zespół nałożył również ograniczenia na związek między halo ciemnej materii i budową galaktyk. Na przykład w symulacjach, które najbardziej pasują do historii Drogi Mlecznej i LMC, najmniejsze galaktyki, które astronomowie mogliby obecnie obserwować, powinny mieć gwiazdy o łącznej masie około stu słońc i ciemną materię o masie około milion razy większej. Według ekstrapolacji modelu najsłabsze galaktyki, jakie kiedykolwiek można byłoby zaobserwować, mogły powstawać w halo sto razy mniej masywnych.
Jeżeli symulacje mają rację, wokół Drogi Mlecznej może krążyć około 100 dodatkowych galaktyk satelitarnych – ponad dwukrotnie więcej niż dotychczas odkryto. Odkrycie tych galaktyk pomogłoby potwierdzić opracowany przez badaczy model powiązań między ciemną materią a powstawaniem galaktyki i nałożyłoby dokładniejsze ograniczenia na naturę samej ciemnej materii.