Gwiazdy hiperprędkościowe mogą pomóc zmapować ciemną materię w Drodze Mlecznej

Naukowcy twierdzą, że poruszające się niezwykle szybko gwiazdy hiperprędkościowe mogą pomóc lepiej poznać Drogę Mleczną, w tym rozkład w niej ciemnej materii.

.Od lat 20. XX wieku gwiazdy hiperprędkościowe pozwalają astronomom badać właściwości galaktyki Drogi Mlecznej, takie jak jej potencjał grawitacyjny i rozkład materii. W ramach nowego badania, naukowcy z Peking University, przeprowadzili poszukiwania gwiazd hiperprędkościowych, wykorzystując specjalną klasę gwiazd znanych z wyraźnego, regularnego i przewidywalnego zachowania pulsacyjnego, które sprawia, że są one przydatne jako wskaźniki odległości. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”.

Prędkość ucieczki jakiejkolwiek planety, gwiazdy lub galaktyki to prędkość wymagana, aby masa opuszczająca jej powierzchnię całkowicie wydostała się z pola grawitacyjnego i odleciała w kosmos. Prędkość ucieczki Ziemi wynosi 11,2 kilometra na sekundę. Każda masa, która opuści powierzchnię z taką początkową prędkością, bez dodatkowej energii opuści pole grawitacyjne Ziemi. Przykładami są skały wyrzucone z Ziemi przez zderzającą się asteroidę.

Prędkość ucieczki od Słońca wynosi 618 kilometrów na sekundę i około 550 kilometrów na sekundę od pozycji Słońca w Drodze Mlecznej. Gwiazdy hiperprędkościowe mają prędkości styczne (tangential speed) wynoszące tysiąc kilometrów na sekundę lub więcej, co sprawia, że nie są one związane grawitacyjnie z Drogą Mleczną. Głównym sposobem powstawania tych obiektów jest grawitacyjna interakcja z supermasywną czarną dziurą Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej.

Jak tłumaczą naukowcy, mechanizm Hillsa, zaproponowany po raz pierwszy przez astronoma Jacka Hillsa w 1988 roku, polega na tym, że jedna z gwiazd w parze zostaje schwytana przez czarną dziurę, podczas gdy druga zostaje wyrzucona z dala od czarnej dziury z dużą prędkością. Taka wyrzucona gwiazda została po raz pierwszy zaobserwowana w 2019 roku, oddalając się od centrum Drogi Mlecznej z prędkością 1755 kilometrów na sekundę (0,6 proc. prędkości światła), która jest większa niż prędkość ucieczki z centrum galaktyki. Gwiazdy takie dostarczają również bezpośrednich dowodów na istnienie supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk i ich właściwości.

Dodatkowo, śledząc trajektorie uciekających gwiazd, naukowcy mogą sporządzić mapę potencjału grawitacyjnego Drogi Mlecznej – czyli sposobu oddziaływania mas w galaktyce – w tym rozkładu ciemnej materii w halo, ogromnej sferycznej przestrzeni otaczającej dysk galaktyki.

W ramach nowego badania, astronomowie poszukiwali gwiazd hiperprędkościowych, zaczynając od gwiazd typu RR Lyrae (RRL). Są to stare, gigantyczne gwiazdy, które pulsują z okresami od 0,2 do jednego dnia, występujące w grubym dysku i halo galaktyki Drogi Mlecznej, a często także w gromadach kulistych. (Droga Mleczna zawiera ponad 150 gromad kulistych, z których około jedna trzecia rozmieszczona jest w niemal kulistym halo wokół jej centrum).

Wewnętrzna jasność gwiazd RRL – ich całkowita energia – jest stosunkowo dobrze określona na podstawie zależności łączącej okres pulsacji, jasność absolutną i metaliczność (obfitość pierwiastków cięższych od wodoru i helu, które astronomowie nazywają „metalami”). Znając ich całkowitą energię i energię docierającą do Ziemi, badacze mogą obliczyć ich odległość na podstawie odwrotności kwadratu odległości.

W jednym z opublikowanych katalogów gwiazd opisano 8172 RRL w ramach obserwacji Sloan Digital Sky Survey, a w rozszerzonym było ich nawet 135 873 z metalicznością i odległością oszacowaną na podstawie fotometrii Gaia, czyli pomiarów jasności gwiazd obserwowanych przez satelitę Gaia wystrzeloną przez Europejską Agencję Kosmiczną w 2013 roku.

Szukając hiperprędkościowych gwiazd RRL, astronomowie wyeliminowali prawie wszystkie, które nie miały właściwości pasujących do poszukiwań, zwłaszcza pomiary spektroskopowe, które dawały prędkości radialne (oddalające się od centrum galaktyki) z wystarczająco niską niepewnością. To znacznie zmniejszyło zbiór danych do 165 hiperprędkościowych gwiazd RRL.

Następnie naukowcy przyjrzeli się krzywej światła każdej gwiazdy, wybierając przesunięcia Dopplera dla 87 takich gwiazd, które były najbardziej wiarygodnymi obiektami o hiperprędkości. Siedem z nich miało prędkość styczną powyżej 800 kilometrów na sekundę. Badacze podzielili je na dwie grupy: jedną skoncentrowaną w kierunku centrum Drogi Mlecznej, a drugą zlokalizowaną wokół Wielkiego i Małego Obłoku Magellana, dwóch nieregularnych galaktyk karłowatych znajdujących się w pobliżu naszej galaktyki.

Ich położenie i zagęszczenie sugerowały, że były one rozpędzone do hiperprędkości dzięki zapewne mechanizmowi Hillsa. Astronomowie, twierdzą, że wiele z nich poruszało się z prędkościami przekraczającymi prędkość ucieczki z Drogi Mlecznej i prawdopodobnie zostały wyrzucone ze swoich układów macierzystych.

.Astronomowie podejrzewają, że przyszłe obserwacje satelity Gaia i analiza spektroskopowa rzucą światło na pochodzenie tych obiektów. Identyfikacja tych uciekających gwiazd może pozwolić na dalsze badanie właściwości halo Drogi Mlecznej, co również może rzucić światło na ciemną materię, wciąż jedną z największych tajemnic współczesnej fizyki.

Oprac. EG