Wenn sich eine kleine Galaxie zu nahe an der Milchstraße aufhält, wird sie von der Schwerkraft unserer größeren Galaxie mitgerissen. Gas und Sterne werden aus der vorbeiziehenden Galaxie herausgerissen, wenn sie in Richtung des Untergangs fällt. Dabei entstehen Materialströme, die sich zwischen dem galaktischen Paar erstrecken. Diese Ströme reißen weiterhin Sterne ab, bis das infalling Objekt vollständig verbraucht ist. Nachdem die Fusion beendet ist, sind einige der einzigen verbleibenden Anzeichen des verschlungenen Objekts die Sternströme, die sich durch die Milchstraße schlängeln, eine kleine Stichprobe von Sternen aus einer längst vergangenen Galaxie.
Einer dieser Ströme ist nicht nur eine Aufzeichnung der Vergangenheit, sondern liefert möglicherweise auch den ersten direkten Beweis für kleine Cluster dunkler Materie - das schwer fassbare Material, von dem angenommen wird, dass es 85 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht. Eine aktuelle Analyse einer Sternenspur zeigt, dass sie in den letzten hundert Millionen Jahren mit einem dichten Objekt interagiert hat. Nachdem die wahrscheinlichsten Verdächtigen ausgeschlossen worden waren, stellten die Forscher fest, dass die vor relativ kurzer Zeit entstandene Lücke im Strom möglicherweise durch einen kleinen Klumpen dunkler Materie verursacht wurde. Wenn sich dies bestätigt, könnten die Wirbel dieses Sternstroms den Wissenschaftlern helfen, die konkurrierenden Theorien über die Dunkle Materie zu sortieren und vielleicht sogar die Eigenschaften des mysteriösen Materials näher zu bringen.
Der als GD-1 bekannte Sternstrom ist ein dünner Materialstrom, der sich im galaktischen Lichthof befindet, der losen Ansammlung von Sternen und Gasen, die die Scheibe der Milchstraße umgeben. Mithilfe von Daten, die im vergangenen April vom Gaia-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation veröffentlicht wurden, das gerade dabei ist, die detaillierteste Karte der Sterne der Milchstraße zu erstellen, konnten Astronomen präzise Positionsdaten verwenden, um die Bewegung der Sterne in GD zu rekonstruieren -1. Der aus einer Materialwolke herausgerissene Strom ist der letzte Überrest eines Objekts, das wahrscheinlich in den letzten 300 Millionen Jahren von unserer Galaxie verbraucht wurde - ein Blickfang auf astronomische Zeitskalen.
Eine künstlerische Darstellung des Gaia-Weltraumobservatoriums der ESA, eines Astrometrieteleskops zur Messung der Positionen und Bewegungen von Sternen. (ESA / NASA) Gaia fand zwei kleine Brüche im Strom, die erste eindeutige Beobachtung von Lücken in einem Sternstrom sowie eine dichte Ansammlung von Sternen, die als Sporn bezeichnet werden. Zusammengenommen deuten diese Merkmale darauf hin, dass ein kleiner, aber massiver Gegenstand das Material des Stroms aufrüttelte.
"Ich denke, dies ist der erste direkte dynamische Beweis für die kleinräumige Struktur der dunklen Materie", sagt Adrian Price-Whelan, Astronom am Flatiron Institute in New York. In Zusammenarbeit mit Ana Bonaca vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics untersuchte Price-Whelan die neu entdeckten Strukturen in GD-1, um deren Quelle zu bestimmen, und präsentierte die Ergebnisse Anfang des Jahres beim Wintertreffen der American Astronomical Society.
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Mit etwa 33.000 Lichtjahren (10 Kiloparsec) ist GD-1 der längste Sternstrom im galaktischen Lichthof. Während Price-Whelan und seine Kollegen anhand von Modellen nachweisen konnten, dass sich eine der Lücken bei der Erzeugung des Streams gebildet hatte, blieb die andere ein Rätsel. Gaia enthüllte jedoch neben dem Rätsel auch eine Lösung: den Sporn.
Wenn sich ein Objekt an einem Sternstrom vorbeibewegt oder diesen durchquert, stört es die Sterne. Price-Whelan vergleicht die Störung mit einem starken Luftstrahl, der über einen Wasserstrahl bläst. Das Wasser - oder die Sterne - fallen auf dem Weg des Störers nach außen und erzeugen eine Lücke. Einige bewegen sich so schnell, dass sie dem Strom entkommen und in den Weltraum fliegen, für immer verloren. Andere werden zurück in den Strom gezogen, um wirbelartige Merkmale zu bilden, die Astronomen als Sporen bezeichnen. Nach ein paar hundert Millionen Jahren verschmelzen die meisten Sporen wieder mit dem Strom, und nur die Lücke bleibt bestehen, obwohl einige länger leben können.
Wenn es darum geht, Strukturen in Sternströmen zu erkennen, nennt Price-Whelan GD-1 "den Goldlöckchen-Strom", weil er genau an der richtigen Stelle ist. GD-1 befindet sich innerhalb der Sterne der Milchstraße, bewegt sich jedoch in die entgegengesetzte Richtung, was es für Astronomen einfacher macht, die Sterne im Strom von den umgebenden Objekten zu unterscheiden. "An jedem Ort bewegt es sich anders als die meisten anderen Sterne in diesem Teil des Himmels", sagt Price-Whelan.
Die Forscher modellierten, welche Art von Objekten für den in GD-1 entdeckten relativ neugeborenen Sporn verantwortlich sein könnten. Sie stellten fest, dass das verantwortliche Objekt mit einer Masse zwischen 1 und 100 Millionen Sonnenmassen wiegen musste. Mit einer Länge von nur etwa 65 Lichtjahren (20 Stück) wäre das Objekt unglaublich dicht gewesen. Die Wechselwirkung zwischen dem Strom und dem dichten Objekt hätte wahrscheinlich innerhalb der letzten paar hundert Millionen Jahre der 13, 8-Milliarden-Jahre-Lebensdauer des Universums stattgefunden.
Ein Diagramm unserer Galaxie, der Milchstraße. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Dunkle Materie ist nicht das einzige Objekt, das den Sternstrom hätte stören können. Ein Kugelhaufen oder eine Zwerggalaxie, die in der Nähe auftaucht, könnte ebenfalls die Lücke und den Sporn geschaffen haben. Price-Whelan und seine Kollegen wandten sich allen bekannten Objekten zu und berechneten ihre Umlaufbahnen. Sie stellten fest, dass in den letzten Milliarden Jahren keines der Objekte GD-1 nahe genug gekommen war, um die Dinge durcheinander zu bringen. Eine zufällige Begegnung mit einem ursprünglichen Schwarzen Loch hätte die Sterne des Baches fliegen lassen können, aber es wäre ein äußerst seltenes Ereignis gewesen.
Nach Simulationen der Dunklen Materie, die kleine Strukturen zulassen, werden Dutzende von Samen der Dunklen Materie durch Galaxien wie die Milchstraße gestreut. Es wird erwartet, dass ein Strom wie GD-1 in den letzten 8 Milliarden Jahren auf mindestens einen solchen Keim stößt, wodurch dunkle Materie aufgrund der Trefferraten viel wahrscheinlicher als jedes andere Objekt stört.
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Dunkle Materie macht den größten Teil der Masse im Universum aus, wurde jedoch nie direkt beobachtet. Die beiden wichtigsten Theorien für seine Existenz sind das Warm-Dark-Matter-Modell und das Lambda-Cold-Dark-Matter-Modell (ΛCDM), das von den meisten Wissenschaftlern bevorzugt wird. Dunkle Materie bildet unter ΛCDM Klumpen, die so groß wie eine Galaxie oder so klein wie eine Getränkedose sein können. Warme Dunkle-Materie-Modelle weisen darauf hin, dass das Material weniger massive Partikel aufweist und keine Strukturen in Dosengröße aufweist, wie es das ΛCDM-Modell vorschlägt. Indizien für kleinräumige Strukturen dunkler Materie zu finden, könnte dabei helfen, bestimmte Modelle auszusortieren und einige der Merkmale des verlockenden Stoffes einzugrenzen.
"Streams könnten die einzige Möglichkeit sein, das Ende der Dunklen Materie zu untersuchen", sagt Price-Whelan. "Wenn wir in der Lage sein wollen, verschiedene Theorien der Dunklen Materie zu bestätigen, abzulehnen oder auszuschließen, müssen wir wirklich wissen, was am unteren Ende passiert."
Gaias Daten halfen, die Sterne des Sporns zu identifizieren, aber sie sind nicht detailliert genug, um die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen ihnen und den Sternen im Strom zu vergleichen, was dazu beitragen könnte, zu bestätigen, dass dunkle Materie die Struktur störte. Price-Whelan und seine Kollegen wollen das Hubble-Weltraumteleskop der NASA nutzen, um die Bewegung der schwachen Sterne in GD-1 weiter zu untersuchen. Obwohl Gaia die Tür für eine umfassende Untersuchung der Bewegung von Sternen über die Milchstraße geöffnet hat, kann Price-Whelan nicht mit dem HST mithalten, wenn es um sehr schwache Sterne geht. "Mit einem speziellen Teleskop wie Hubble kann man viel tiefer bohren", sagt er.
Die Unterschiede in der Bewegung der Sterne des Stroms und des Sporns könnten den Astronomen helfen, festzustellen, wie viel Energie das störende Objekt trug, und den Forschern ermöglichen, seine Umlaufbahn zu berechnen. Diese Informationen könnten verwendet werden, um den störenden Klumpen der dunklen Materie aufzuspüren und ihre unmittelbare Umgebung zu untersuchen.
Zusätzlich zu einer eingehenderen Untersuchung von GD-1 planen Astronomen, die gleichen Techniken, die durch Gaias Daten ermöglicht werden, auf einige der mehr als 40 anderen Ströme rund um die Milchstraße anzuwenden. Das Erkennen von Sporen und Lücken in anderen Strömen und deren Bindung an die Dunkle Materie könnte unser Verständnis der Wechselwirkungen der mysteriösen Substanz mit der sichtbaren Galaxie weiter verbessern.
Nach jahrzehntelangen Rätseln über das Geheimnis der Dunklen Materie könnten die Lücken und Sporen in Sternströmen wie GD-1 endlich dazu beitragen, die Geheimnisse der Substanz zu enthüllen, die den größten Teil des Universums ausmacht. "Dies ist eines der aufregendsten Dinge, die Gaia hervorgebracht hat", sagt Price-Whelan.
