Bintang-bintang luar yang lebih lambat di Bima Sakti menunjukkan bahwa materi gelap dilebih-lebihkan

Institut Teknologi MassachusettsStudi eksternal menunjukkan Bima Sakti Bintang-bintang berotasi lebih lambat, menunjukkan inti yang lebih terang mengandung lebih sedikit materi gelap, yang bertentangan dengan asumsi sebelumnya.

Dengan mencatat kecepatan bintang-bintang di seluruh Bima Sakti, fisikawan MIT menemukan bahwa bintang-bintang di piringan galaksi bergerak lebih lambat dari yang diperkirakan dibandingkan bintang-bintang yang lebih dekat ke pusat galaksi. Hasilnya memunculkan kemungkinan yang mengejutkan: inti gravitasi Bima Sakti mungkin lebih ringan, dan mengandung lebih sedikit materi gelap, dibandingkan perkiraan sebelumnya.

Temuan baru ini didasarkan pada analisis tim terhadap data yang ditangkap oleh instrumen Gaia dan APOGEE. Gaia adalah teleskop luar angkasa yang mengorbit yang melacak posisi, jarak, dan pergerakan tepat lebih dari satu miliar bintang di seluruh Bima Sakti, sedangkan APOGEE adalah survei berbasis darat. Fisikawan menganalisis pengukuran Gaia terhadap lebih dari 33.000 bintang, termasuk beberapa bintang terjauh di galaksi, dan menentukan “kecepatan melingkar” setiap bintang, atau seberapa cepat bintang tersebut berputar di piringan galaksi, dengan mempertimbangkan jarak bintang dari pusat galaksi. galaksi. .

Memahami rotasi galaksi

Para ilmuwan memplot kecepatan tiap bintang terhadap jaraknya untuk menghasilkan kurva rotasi, grafik standar dalam astronomi yang menunjukkan seberapa cepat materi berputar pada jarak tertentu dari pusat galaksi. Bentuk kurva ini dapat memberikan gambaran kepada para ilmuwan tentang berapa banyak materi tampak dan materi gelap yang tersebar di seluruh galaksi.

“Yang benar-benar mengejutkan kami adalah kurva ini tetap datar, datar, datar untuk jarak tertentu, dan kemudian mulai menurun,” kata Lina Naguib, asisten profesor fisika di MIT. “Ini berarti bintang-bintang terluar berputar sedikit lebih lambat dari yang diperkirakan, dan ini merupakan hasil yang sangat mengejutkan.”

Sebuah studi yang dilakukan oleh fisikawan dari Massachusetts Institute of Technology menunjukkan bahwa inti gravitasi Bima Sakti mungkin bermassa lebih ringan, dan mengandung lebih sedikit materi gelap, dibandingkan perkiraan sebelumnya. Sumber gambar: ESA/Gaia/DPAC, diedit oleh MIT News

Menantang teori materi gelap

Tim menerjemahkan kurva rotasi baru ke dalam distribusi materi gelap yang dapat menjelaskan perlambatan eksobintang, dan menemukan bahwa peta yang dihasilkan menghasilkan inti galaksi yang lebih terang dari yang diperkirakan. Artinya, pusat Bima Sakti mungkin kurang padat dan mengandung lebih sedikit materi gelap dibandingkan perkiraan para ilmuwan.

“Hal ini membuat hasil ini berbeda dengan pengukuran lainnya,” kata Najeeb. “Ada sesuatu yang mencurigakan terjadi di suatu tempat, dan sangat menarik untuk mengetahui di mana hal tersebut berada, untuk mendapatkan gambaran yang koheren tentang Bima Sakti.”

Tim mengumumkan hasilnya bulan ini Pemberitahuan Bulanan Jurnal Royal Society. Rekan penulis studi dari MIT, termasuk Nassib, adalah penulis pertama Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, dan Anna Friebel.

“dalam ketiadaan”

Seperti kebanyakan galaksi di alam semesta, Bima Sakti berputar seperti air dalam pusaran, rotasinya sebagian didorong oleh semua materi yang berputar-putar di dalam piringannya. Pada tahun 1970-an, astronom Vera Rubin adalah orang pertama yang menyadari bahwa galaksi berotasi dengan cara yang tidak dapat digerakkan oleh materi yang terlihat semata. Dia dan rekan-rekannya mengukur kecepatan rotasi bintang, dan menemukan bahwa kurva rotasi yang dihasilkan ternyata datar. Artinya, kecepatan bintang-bintang di seluruh galaksi tetap sama dan tidak berkurang seiring bertambahnya jarak. Mereka menyimpulkan bahwa jenis materi tak kasat mata lainnya pasti mempengaruhi bintang-bintang jauh untuk memberi mereka dorongan ekstra.

Karya Rubin tentang kurva rotasi adalah salah satu bukti kuat pertama keberadaan materi gelap, sebuah entitas tak kasat mata dan tak dikenal yang diperkirakan melebihi semua bintang dan materi kasat mata lainnya di alam semesta.

Sejak itu, para astronom telah mengamati kurva datar serupa di galaksi jauh, yang mendukung keberadaan materi gelap. Baru-baru ini saja para astronom mencoba menggambarkan kurva rotasi galaksi kita dengan bintang-bintang.

“Ternyata sulit mengukur kurva rotasi saat Anda berada di dalam galaksi,” kata Au.

Wawasan baru dari data Gaia

Pada tahun 2019, Anna Christina Ehlers, asisten profesor fisika di MIT, memetakan kurva rotasi Bima Sakti, menggunakan kumpulan data sebelumnya dari satelit Gaia. Rilis data ini mencakup bintang-bintang yang berjarak hingga 25 kiloparsec, atau sekitar 81.000 tahun cahaya, dari pusat galaksi.

Berdasarkan data ini, Ehlers mengamati bahwa kurva rotasi Bima Sakti tampak datar, meskipun dengan sedikit kemiringan, mirip dengan galaksi jauh lainnya, dan berdasarkan kesimpulan, galaksi tersebut kemungkinan besar membawa materi gelap dengan kepadatan tinggi di intinya. Namun pendapat tersebut kini berubah karena teleskop tersebut telah merilis serangkaian data baru, kali ini termasuk bintang-bintang yang berjarak 30 kiloparsec, sekitar 100.000 tahun cahaya dari inti galaksi.

“Pada jarak ini, kita berada di tepi galaksi tempat bintang-bintang mulai memudar,” kata Fripple. “Belum ada yang menyelidiki bagaimana materi bergerak di galaksi terluar ini, di mana kita benar-benar berada dalam ketiadaan.”

Ketegangan yang aneh

Frebel, Naguib, Au, dan Ehlers menggunakan data Gaia baru, berupaya memperluas kurva rotasi awal Ehlers. Untuk meningkatkan analisis mereka, tim melengkapi data Gaia dengan pengukuran oleh APOGEE – Eksperimen Evolusi Galaksi dari Observatorium Apache Point, yang mengukur sifat-sifat yang sangat rinci dari lebih dari 700.000 bintang di Bima Sakti, seperti kecerahan, suhu, dan komposisi unsurnya.

“Kami memasukkan semua informasi ini ke dalam suatu algoritma untuk mencoba mempelajari koneksi yang kemudian dapat memberi kami perkiraan jarak ke bintang yang lebih baik,” jelas Au. “Inilah cara kami dapat mendorong lebih jauh.”

Tim menentukan jarak tepat lebih dari 33.000 bintang dan menggunakan pengukuran ini untuk membuat peta 3D bintang-bintang yang tersebar di Bima Sakti hingga sekitar 30 kiloparsec. Mereka kemudian menggabungkan peta ini menjadi model kecepatan melingkar, mensimulasikan kecepatan pergerakan bintang mana pun, dengan mempertimbangkan distribusi semua bintang lain di galaksi. Mereka kemudian memplot kecepatan dan jarak masing-masing bintang pada grafik untuk menghasilkan kurva rotasi Bima Sakti yang diperbarui.

“Inilah keanehannya,” kata Naguib.

Alih-alih melihat sedikit penurunan seperti kurva rotasi sebelumnya, tim menyadari bahwa kurva baru turun lebih kuat dari yang diharapkan di ujung luar. Penurunan tak terduga ini menunjukkan bahwa meskipun bintang-bintang mungkin bergerak dengan kecepatan yang sama hingga jarak tertentu, mereka tiba-tiba melambat pada jarak yang lebih jauh. Bintang-bintang di pinggiran kota tampaknya bergerak lebih lambat dari yang diperkirakan.

Jelajahi rahasia galaksi

Ketika tim menerjemahkan kurva rotasi ini ke dalam jumlah materi gelap yang seharusnya ada di seluruh galaksi, mereka menemukan bahwa inti Bima Sakti mungkin mengandung lebih sedikit materi gelap dibandingkan perkiraan sebelumnya.

“Hasil ini tidak konsisten dengan pengukuran lainnya,” kata Najeeb. “Memahami hasil ini akan memiliki dampak yang besar. Hal ini dapat menyebabkan lebih banyak massa tersembunyi di luar tepi piringan galaksi, atau revisi keadaan keseimbangan galaksi kita. Kami berupaya menemukan jawaban ini dalam penelitian mendatang, dengan menggunakan resolusi tinggi. simulasi galaksi mirip Bima Sakti.

Referensi: “Gambaran materi gelap Bima Sakti disimpulkan dari kurva kecepatan melingkarnya” oleh Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib, dan Anna Friebel, 08 Januari 2024, Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Penelitian ini sebagian didanai oleh National Science Foundation.