Wanneer een klein sterrenstelsel te dicht bij de Melkweg afdwaalt, komt het door de zwaartekracht van ons grotere sterrenstelsel naar binnen. Gas en sterren worden uit het passerende sterrenstelsel gescheurd terwijl het naar binnen valt in de richting van zijn ondergang, waardoor materiaalstromen ontstaan die zich tussen het melkwegpaar uitstrekken. Deze stromen blijven sterren wegscheuren totdat het invallende object volledig is verbruikt. Nadat de fusie voorbij is, zijn enkele van de enige overgebleven tekenen van het verslonden object de sterrenstromen die door de Melkweg slingeren, een klein monster van sterren uit een lang geleden verdwenen melkweg.
Behalve dat het een record uit het verleden is, kan een van deze stromen het eerste directe bewijs leveren voor kleinschalige clusters van donkere materie - het ongrijpbare materiaal waarvan wordt aangenomen dat het 85 procent van alle materie in het universum uitmaakt. Een recente analyse van een spoor van sterren onthult dat het in de afgelopen paar honderd miljoen jaar een interactie had gehad met een dicht object. Na het uitsluiten van de meest waarschijnlijke verdachten, stelden de onderzoekers vast dat de relatief recent gemaakte kloof in de stroom mogelijk is veroorzaakt door een kleine groep donkere materie. Als dit wordt bevestigd, kunnen de wervelingen van deze stellaire stroom wetenschappers helpen de concurrerende theorieën over donkere materie te doorzoeken en misschien zelfs nader in te gaan op de kenmerken van het mysterieuze materiaal.
De stellaire stroom die bekend staat als GD-1 is een dunne stroom materiaal die is verstopt in de Galactische halo, de losse verzameling sterren en gassen die de schijf van de Melkweg omringen. Met behulp van gegevens die afgelopen april zijn vrijgegeven door de Gaia-ruimtetelescoop van de Europese ruimtevaartorganisatie, die bezig is de meest gedetailleerde kaart van de sterren van de Melkweg ooit te maken, konden astronomen precieze positiegegevens gebruiken om de beweging van de sterren in GD te reconstrueren -1. De stroom is gescheurd uit een wolk van materiaal en is het laatste overblijfsel van een object dat waarschijnlijk in de afgelopen 300 miljoen jaar door ons sterrenstelsel is geconsumeerd - een blik op astronomische tijdschalen.
Een weergave door een kunstenaar van het Gaia-ruimtewaarnemingscentrum van ESA, een astrometrietelescoop die is ontworpen om de posities en bewegingen van sterren te meten. (ESA / NASA) Gaia vond twee kleine onderbrekingen in de stroom, de eerste ondubbelzinnige waarneming van gaten in een stellaire stroom, evenals een dichte verzameling sterren die een uitloper wordt genoemd. Samen suggereren deze functies dat een klein maar enorm object het materiaal van de stroom schudde.
"Ik denk dat dit het eerste directe dynamische bewijs is voor de kleinschalige [structuur] van donkere materie, " zegt Adrian Price-Whelan, een astronoom aan het Flatiron Institute in New York. In samenwerking met Ana Bonaca van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics onderzocht Price-Whelan de nieuwe structuren in GD-1 om hun bron te bepalen en presenteerde de resultaten eerder dit jaar tijdens de winterbijeenkomst van de American Astronomical Society.
**********
Met ongeveer 33.000 lichtjaar (10 kiloparsecs) is GD-1 de langste stellaire stroom in de galactische halo. Terwijl Price-Whelan en zijn collega's modellen konden gebruiken om aan te tonen dat een van de gaten die zich tijdens het genereren van de stream hadden gevormd, de andere kloof een mysterie bleef. Samen met de puzzel onthulde Gaia echter ook een oplossing: de uitloper.
Wanneer een object langs of door een sterrenstroom reist, verstoort het de sterren. Price-Whelan vergelijkt de verstoring met een sterke straal lucht die over een stroom water blaast. Het water - of de sterren - pluimen naar buiten langs het pad van de verstoorder, waardoor een opening ontstaat. Sommigen bewegen zo snel dat ze aan de stroom ontsnappen en de ruimte in vliegen, voor altijd verloren. Anderen worden terug de stroom in getrokken om wervelachtige kenmerken te vormen die astronomen sporen noemen. Na een paar honderd miljoen jaar vloeien de meeste sporen terug in de stroom, en alleen de kloof blijft, hoewel sommige langer kunnen duren.
Als het gaat om het spotten van structuren in sterrenstromen, noemt Price-Whelan GD-1 "de Goldilocks-stroom" omdat deze zich op de juiste plaats bevindt. GD-1 bevindt zich binnen de sterren van de Melkweg, maar beweegt in de tegenovergestelde richting, waardoor het voor astronomen gemakkelijker wordt om de sterren in de stroom uit de omringende objecten te halen. "Op elke locatie beweegt het anders dan de meeste andere sterren in dat deel van de hemel, " zegt Price-Whelan.
De onderzoekers hebben gemodelleerd welk type objecten verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de relatief pasgeboren uitloper in GD-1. Ze bepaalden dat het verantwoordelijke object moest wegen met een massa ergens tussen 1 miljoen en 100 miljoen keer de massa van de zon. Met een lengte van slechts ongeveer 65 lichtjaar (20 stuks) zou het object ongelooflijk dicht zijn geweest. De interactie tussen de stroom en het dichte object zou waarschijnlijk zijn gebeurd in de laatste paar honderd miljoen jaar van de levensduur van het universum van 13, 8 miljard jaar.
Een diagram van onze Melkweg, de Melkweg. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Donkere materie is niet het enige object dat de sterrenstroom had kunnen verstoren. Een bolvormig cluster of dwergmelkwegstelsel dat in de buurt dook, had ook de kloof en het spoor kunnen creëren. Price-Whelan en zijn collega's richtten hun blik op alle bekende objecten en berekenden hun banen, waarbij ze ontdekten dat geen enkele in de buurt kwam van GD-1 in de afgelopen miljard jaar om dingen op te schudden. Een toevallige ontmoeting met een oerzwart gat had de sterren van de stroom kunnen doen vliegen, maar het zou een uiterst zeldzame gebeurtenis zijn geweest.
Volgens donkere materiesimulaties die kleine structuren toelaten, worden tientallen zaden van donkere materie verspreid door sterrenstelsels zoals de Melkweg. Van een stroom als GD-1 wordt verwacht dat hij in de afgelopen 8 miljard jaar minstens één dergelijk zaad tegenkomt, waardoor donkere materie een veel grotere kans maakt op basis van ontmoetingspercentages dan enig ander object.
**********
Donkere materie vormt het grootste deel van de massa in het universum, maar is nooit rechtstreeks waargenomen. De twee belangrijkste theorieën voor het bestaan ervan zijn het model voor warme donkere materie en het model voor koude donkere materie van Lambda ((CDM), waaraan de meeste wetenschappers de voorkeur geven. Onder ΛCDM vormt donkere materie klonten die zo groot kunnen zijn als een melkwegstelsel of zo klein als een frisdrankblikje. Warme donkere materiemodellen suggereren dat het materiaal minder massieve deeltjes heeft en de structuren van blikformaat mist die het ΛCDM-model suggereert. Het vinden van bewijs voor kleinschalige structuren van donkere materie kan helpen bepaalde modellen uit de weg te ruimen en een begin maken met het verfijnen van enkele van de kenmerken van de verleidelijke dingen.
"Stromen kunnen de enige weg zijn die we [zouden kunnen gebruiken] om het laagste massale einde te bestuderen van wat donkere materie doet, " zegt Price-Whelan. "Als we verschillende theorieën over donkere materie willen kunnen bevestigen, verwerpen of uitsluiten, moeten we echt weten wat er aan de onderkant gebeurt."
De gegevens van Gaia hebben geholpen om de sterren van het spoor te identificeren, maar het is niet gedetailleerd genoeg om de snelheidsverschillen tussen hen en de sterren in de stroom te vergelijken, wat zou kunnen helpen bevestigen dat donkere materie de structuur verstoorde. Price-Whelan en zijn collega's willen de Hubble Space Telescope van NASA gebruiken om de beweging van de zwakke sterren in GD-1 verder te bestuderen. Hoewel Gaia de deur heeft geopend voor grootschalig onderzoek van de beweging van sterren over de Melkweg, zegt Price-Whelan dat het niet kan concurreren met de HST als het gaat om zeer vage sterren. "Je kunt veel dieper boren als je een speciale telescoop zoals Hubble hebt", zegt hij.
De verschillen in de manier waarop de sterren van de stroom en het spoor bewegen, kunnen astronomen helpen bepalen hoeveel energie het verstorende object droeg, en onderzoekers in staat stellen zijn baan te berekenen. Deze stukjes informatie kunnen worden gebruikt om de verstorende massa donkere materie op te sporen en de directe omgeving te bestuderen.
Naast een diepgaander onderzoek van GD-1, zijn astronomen van plan om dezelfde technieken die door Gaia's gegevens mogelijk zijn, toe te passen op enkele van de meer dan 40 andere stromen rond de Melkweg. Door sporen en gaten in andere stromen te spotten en aan donkere materie te binden, zou ons begrip van de interactie van de mysterieuze substantie met het zichtbare sterrenstelsel verder kunnen verbeteren.
Na tientallen jaren puzzelen over het mysterie van donkere materie, kunnen de gaten en sporen in sterrenstromen zoals GD-1 eindelijk helpen om de geheimen van de substantie die het grootste deel van het universum vormt, te onthullen. "Dit is een van de meest opwindende dingen die uit Gaia zijn gekomen", zegt Price-Whelan.
