天の川銀河の外側の恒星が遅いことは、暗黒物質が誇張されていることを示しています

マサチューセッツ工科大学外部調査によると 天の川 恒星の回転はよりゆっくりであり、これは暗黒物質の含有量が少ない、より軽い核を示しており、これは以前の仮定と矛盾します。

MITの物理学者は、天の川銀河全体の星の速度を記録することで、銀河円盤内の星が銀河の中心に近い星と比べて予想よりも遅く移動していることを発見した。 この結果は、驚くべき可能性をもたらします。天の川銀河の重力核は、これまで考えられていたよりも軽く、暗黒物質の量が少ない可能性があるということです。

新しい発見は、Gaia と APOGEE の機器によって収集されたデータのチームの分析に基づいています。 ガイアは、天の川銀河全体の 10 億以上の星の正確な位置、距離、動きを追跡する周回宇宙望遠鏡ですが、APOGEE は地上の測量です。 物理学者は、銀河の最も遠い星のいくつかを含む、33,000 個以上の星のガイアの測定値を分析し、各星の「円周速度」、つまり、星の中心からの距離を考慮して、その星が銀河円盤内でどのくらいの速さで回転しているかを決定しました。銀河。 。

銀河の回転を理解する

科学者たちは、各星の速度をその距離に対してプロットして回転曲線を作成しました。回転曲線は、銀河の中心から一定の距離で物質がどれだけ速く回転するかを表す天文学の標準的なグラフです。 この曲線の形状から、科学者は銀河全体にどれだけの可視物質と暗黒物質が分布しているかを知ることができます。

「私たちが見て本当に驚いたのは、この曲線が一定の距離まで平坦、平坦、平坦を続け、その後減少し始めたことです」と、MIT 物理学の助教授、リナ ナギブは言います。 「これは、外側の星が予想よりも少しゆっくり回転していることを意味しており、これは非常に驚くべき結果です。」

マサチューセッツ工科大学の物理学者らによる研究は、天の川銀河の重力核はこれまで考えられていたよりも質量が軽く、暗黒物質の量が少ない可能性があることを示唆している。 画像出典: ESA/Gaia/DPAC、MIT ニュース編集

暗黒物質理論への挑戦

研究チームは、新しい回転曲線を系外星の減速を説明できる暗黒物質の分布に変換し、その結果の地図が予想よりも軽い銀河核を生成していることを発見した。 つまり、天の川の中心は科学者が考えているよりも密度が低く、暗黒物質の量も少ない可能性があります。

「これにより、この結果は他の測定値と矛盾することになります」とナジーブ氏は言います。 「どこかで怪しいことが起こっています。それがどこにあるのかを調べて、天の川の一貫した写真を撮るのは本当に興味深いです。」

チームは今月結果を発表します 王立協会ジャーナルの毎月のお知らせ。 Nassib を含む MIT の研究の共著者は、筆頭著者 Xiaowei Ou、Anna-Kristina Ehlers、Anna Friebel です。

「無の中で」

宇宙のほとんどの銀河と同様に、天の川は渦の中の水のように回転し、その回転は円盤内で渦を巻くすべての物質によって部分的に駆動されます。 1970 年代、天文学者のベラ ルービンは、銀河が純粋に目に見える物質によって駆動できない方法で回転していることに最初に気づきました。 彼女と同僚は星の回転速度を測定し、結果として得られた回転曲線が驚くほど平坦であることを発見しました。 これは、星の速度が距離とともに減少するのではなく、銀河全体で同じままであることを意味します。 彼らは、別の種類の目に見えない物質が遠くの星に影響を与えて、星にさらなる後押しを与えているに違いないと結論付けました。

ルービンの回転曲線に関する研究は、暗黒物質の存在を示す最初の強力な証拠の 1 つでした。暗黒物質は、宇宙のすべての星やその他の目に見える物質よりも重いと推定される目に見えない未知の存在です。

それ以来、天文学者たちは遠方の銀河でも同様の平坦な曲線を観察し、暗黒物質の存在を裏付けています。 天文学者たちが星を使って銀河の回転曲線をプロットしようと試みたのはごく最近のことです。

「銀河の中に座っていると回転曲線を測定するのは難しいことが分かりました」とオー氏は言う。

Gaia データからの新しい洞察

2019年、MITの物理学助教授であるアンナ・クリスティーナ・エーラーズ氏は、ガイア衛星からの以前のデータセットを使用して天の川の回転曲線をプロットした。 このデータ公開には、銀河中心から最大 25 キロパーセク、つまり約 81,000 光年離れた星が含まれていました。

これらのデータに基づいて、エーラーズは、他の遠方の銀河と同様に、天の川銀河の回転曲線がわずかに傾斜しているものの、平坦に見えることを観察し、推論により、この銀河はその中心部に高密度の暗黒物質を抱えている可能性が高いと考えられます。 しかし、この望遠鏡が新しいデータセットを発表したため、その意見は今では変わりました。今回は銀河の中心から約10万光年、30キロパーセクも離れた星々も含まれています。

「この距離では、私たちは星が消え始める銀河の端にいます」とフリップルは言います。 「私たちが文字通り無の中にあるこの外側の銀河の中で物質がどのように動くのかを調査した人は誰もいません。」

異様なテンション

Frebel、Naguib、Au、および Ehlers は、新しい Gaia データに飛び込み、Ehlers の初期回転曲線を拡張しようとしました。 分析を改善するために、チームはガイアのデータに、アパッチポイント天文台の銀河進化実験であるAPOGEEによる測定値を補足しました。この実験では、天の川銀河の70万個以上の星の明るさ、温度、元素組成など、非常に詳細な特性を測定しています。

「私たちはこのすべての情報をアルゴリズムに入力して、星までの距離をより正確に推定できるつながりを学習しようとします」とオー氏は説明します。 「これが私たちがさらに前進できる方法です。」

研究チームは、33,000 個以上の星の正確な距離を決定し、これらの測定値を使用して、天の川全体に広がる約 30 キロパーセクの星の 3D マップを作成しました。 次に彼らは、このマップを円速度のモデルに結合し、銀河内の他のすべての星の分布を考慮して、星が移動する速度をシミュレートしました。 次に、各星の速度と距離をグラフ上にプロットして、天の川銀河の更新された回転曲線を作成しました。

「ここで奇妙なことが起こりました」とナギブは言う。

以前の回転曲線のようなわずかな落ち込みが見られるのではなく、チームは、新しい曲線が外側の端で予想よりも強く落ちていることに気づきました。 この予期せぬ落ち込みは、星が一定の距離までは同じ速度で移動するが、それより遠くになると突然速度が低下することを示しています。 郊外の星々は予想よりもゆっくりと動いているようです。

銀河の秘密を探ろう

研究チームがこの回転曲線を銀河全体に存在するはずの暗黒物質の量に換算したところ、天の川の中心に含まれる暗黒物質の量は以前に推定されていたよりも少ない可能性があることが判明した。

「この結果は他の測定結果と一致しません」とナジーブ氏は言います。 「この結果を本当に理解することは、重大な影響をもたらすでしょう。これは、銀河円盤の端を越えてさらに隠された質量、あるいは銀河の平衡状態の修正につながる可能性があります。私たちは、高解像度を使用して、今後の研究でこれらの答えを見つけようとしています」天の川に似た銀河のシミュレーション。

参考: 「円速度曲線から推論された天の川の暗黒物質画像」Xiaowei Ou、Anna-Kristina Ehlers、Lena Naguib、Anna Friebel、2024 年 1 月 8 日、 王立天文協会の月次通知。
土井: 10.1093/mnras/stae034

この研究は国立科学財団から一部資金提供を受けました。