Czy obiekty międzygwiezdne mogą odpowiadać za „brakującą masę” Drogi Mlecznej?

Obiekty międzygwiezdne mogą mieć większy wpływ na Drogę Mleczną, niż dotąd przypuszczano. Naukowcy sugerują, że ich ogromna liczba może odpowiadać za część „brakującej masy” Galaktyki, obecnie przypisywanej ciemnej materii.

Obiekty międzygwiezdne a zagadka „brakującej masy”

W ramach nowego badania naukowcy z Uniwersytetu w Hamburgu spróbowali obliczyć wpływ dużej liczby obiektów międzygwiezdnych (interstellar objects, ISO) na szacunki dotyczące ilości ciemnej materii obecnej w Drodze Mlecznej. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Jak opisują astronomowie, część obliczeń dotyczących ilości ciemnej materii w Drodze Mlecznej opiera się na tzw. „brakującej masie”. Wartość ta bazuje na właściwości znanej jako krzywa rotacji Galaktyki – czyli prędkości, z jaką gwiazdy orbitują wokół centrum Drogi Mlecznej. Rzeczywista wartość tej krzywej jest znacznie wyższa, niż wynikałoby to jedynie z liczby gwiazd, które naukowcy mogą zaobserwować, więc ich zdaniem coś jeszcze musi dodawać swoją masę, odpowiadając za zwiększoną prędkość obrotową.

Ciemna materia w Drodze Mlecznej

Naukowcy od dawna uważają, że odpowiadającym za to czynnikiem jest ciemna materia. Ponieważ jednak nie oddziałuje ona – lub robi to bardzo rzadko – z czymkolwiek poza grawitacją, nie można jej po prostu „zobaczyć”, co utrudnia jej badanie. Obecne szacunki dotyczące ilości ciemnej materii w Galaktyce, oparte na danych z misji Gaia, wskazują na koncentrację wynoszącą około 0,44 gigaelektronowolta na centymetr sześcienny. Jednak astronomowie w nowym badaniu zastanawiali się, czy może istnieć inne wyjaśnienie części tej brakującej masy.

Ile obiektów międzygwiezdnych może znajdować się w Galaktyce?

Same ISO mają masę i można je bezpośrednio wykryć. Jak dotąd zaobserwowano tylko trzy takie obiekty: 1I/’Oumuamua, 2I/Borisov oraz 3I/ATLAS. Ostatni, największy z nich, miał promień szacowany na od 0,16 do 2,8 km. Jak wskazują naukowcy, ponieważ masa rośnie wraz z sześcianem promienia, ta różnica wartości mogła mieć duży wpływ na szacowaną masę największego z tych międzygwiezdnych gości. Badacze wiedzą również, że obecnie w Galaktyce prawdopodobnie dryfują miliardy, jeśli nie biliony, innych podobnych obiektów międzygwiezdnych.

Naukowcy próbowali odpowiedzieć na pytanie, jaki procent „brakującej masy” Galaktyki mogą stanowić unoszące się w przestrzeni obiekty międzygwiezdne, których nie można dostrzec za pomocą standardowych technik obserwacyjnych. Aby wyznaczyć tę wartość, zastosowali metodę statystyczną znaną jako rozkład Poissona (Poisson distribution) do obliczenia lokalnej gęstości swobodnie dryfujących obiektów podobnych rozmiarami do 3I/ATLAS. Odkryli, że w naszym rejonie Drogi Mlecznej może znajdować się ich znaczna ilość.

Obiekty międzygwiezdne mogą wpływać na szacunki ciemnej materii

Obliczyli następnie również procent „brakującej masy” Galaktyki, który teoretycznie można by przypisać obiektom międzygwiezdnym. Okazało się, że mogą one odpowiadać za około 13 do 45 proc. masy Drogi Mlecznej obecnie przypisywanej ciemnej materii.

Zdaniem astronomów obliczenia te mają jednak pewne słabości. Główna z nich polega na tym, że badacze dosłownie ekstrapolowali wyniki uzyskane na próbie liczącej zaledwie jeden obiekt – 3I/ATLAS – na całą galaktyczną populację obiektów ISO.

Badacze przyznają nawet, że górna granica obliczeń, według której ISO mogłyby odpowiadać nawet za połowę brakującej masy, wymaga „nadmiernie optymistycznej” ilości materii wyrzucanej w przestrzeń międzygwiezdną.

Wyniki mogą wpłynąć na eksperymenty poszukujące ciemnej materii

Jednak sama matematyka stojąca za tym modelem jest poprawna i ma znaczenie dla obecnych oraz przyszłych badań. Eksperymenty mające bezpośrednio wykryć ciemną materię, takie jak LZ i XENONnT, opierają się na lokalnej gęstości ciemnej materii do obliczania oczekiwanego strumienia słabo oddziałujących masywnych cząstek, czyli WIMP-ów, przechodzących przez zbiorniki z ksenonem. Jeśli wartość ta byłaby choćby o 18 proc. niższa, niż pierwotnie zakładali naukowcy, czułość instrumentów mogłaby wymagać ponownego dostosowania.

Nowe obserwacje pomogą lepiej poznać ISO

Nadchodzące obserwacje nowej generacji zapewne pomogą wykryć dziesiątki, a być może nawet setki nowych obiektów międzygwiezdnych. Gdy astronomowie lepiej poznają rozmiary i kształty ISO, uzyskają dokładniejszy obraz ich ewentualnego wkładu w brakującą masę naszej Galaktyki – i tego, czy nasze rozumienie ciemnej materii jest poprawne.

Emil Gołoś