Astronomer som använder data från NASA och ESA (European Space Agency) teleskop har släppt en ny karta över det yttersta området av vår galax. Känd som den galaktiska halo, detta område ligger utanför de virvlande spiralarmarna som bildar Vintergatans igenkännbara centrala skiva och är glest befolkat med stjärnor. Även om glorian kan verka mestadels tom, det förutspås också innehålla en massiv reservoar av mörk materia, en mystisk och osynlig substans som tros utgöra huvuddelen av all massa i universum.

Data för den nya kartan kommer från ESA:s Gaia-uppdrag och NASA:s Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer, eller INTE, som fungerade från 2009 till 2013 under namnet WISE. Studien, ledd av astronomer vid Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian och publiceras idag i Natur , använder sig av data som samlats in av rymdfarkosten mellan 2009 och 2018.

Den nya kartan avslöjar hur en liten galax som kallas det stora magellanska molnet (LMC) – så kallat för att det är den största av två dvärggalaxer som kretsar runt Vintergatan – har seglat genom Vintergatans galaktiska gloria som ett skepp genom vatten, dess gravitation skapar ett vak i stjärnorna bakom den. LMC ligger cirka 160, 000 ljusår från jorden, och är mindre än en fjärdedel av Vintergatans massa. Även om de inre delarna av halo har kartlagts med en hög nivå av noggrannhet, detta är den första kartan som ger en liknande bild av halons yttre regioner, där kölvattnet finns - cirka 200, 000 ljusår till 325, 000 ljusår från det galaktiska centrumet. Tidigare studier har antytt om kölvattnets existens, men all-himlen kartan bekräftar dess närvaro och erbjuder en detaljerad bild av dess form, storlek, och plats.

Denna störning i halo ger också astronomer en möjlighet att studera något de inte kan observera direkt:mörk materia. Även om det inte avger, reflektera, eller absorbera ljus, gravitationspåverkan från mörk materia har observerats över hela universum. Det tros skapa en ställning som galaxer är byggda på, så att utan det, galaxer skulle flyga isär när de snurrar. Mörk materia uppskattas vara fem gånger vanligare i universum än all materia som avger eller interagerar med ljus, från stjärnor till planeter till gasmoln.

Även om det finns flera teorier om naturen hos mörk materia, alla indikerar att det borde finnas i Vintergatans gloria. Om så är fallet, sedan när LMC seglar genom denna region, det borde lämna ett vak i mörk materia också. Kölvattnet som observeras i den nya stjärnkartan tros vara konturerna av denna mörka materias kölvatten; stjärnorna är som löv på ytan av detta osynliga hav, deras position förändras med den mörka materien.

Interaktionen mellan den mörka materian och det stora magellanska molnet har stora konsekvenser för vår galax. När LMC kretsar runt Vintergatan, den mörka materiens gravitation drar på LMC och saktar ner den. Detta kommer att göra att dvärggalaxens omloppsbana blir mindre och mindre, tills galaxen slutligen kolliderar med Vintergatan om cirka 2 miljarder år. Dessa typer av sammanslagningar kan vara en viktig drivkraft i tillväxten av massiva galaxer över universum. Faktiskt, astronomer tror att Vintergatan slogs samman med en annan liten galax för cirka 10 miljarder år sedan.

"Det här rånandet av en mindre galaxs energi är inte bara varför LMC smälter samman med Vintergatan utan också varför alla galaxsammanslagningar sker, sa Rohan Naidu, en doktorand i astronomi vid Harvard University och medförfattare till den nya artikeln. "Vaken på vår karta är en riktigt snygg bekräftelse på att vår grundläggande bild för hur galaxer smälter samman är på plats!"

En sällsynt möjlighet

Författarna till tidningen tror också att den nya kartan – tillsammans med ytterligare data och teoretiska analyser – kan ge ett test för olika teorier om mörk materias natur, till exempel om den består av partiklar, som vanlig materia, och vilka egenskaper dessa partiklar har.

"Du kan föreställa dig att kölvattnet bakom en båt blir annorlunda om båten seglar genom vatten eller genom honung, " sa studiens medförfattare Charlie Conroy, professor vid Harvard University och astronom vid Center for Astrophysics. "I detta fall, egenskaperna hos kölvattnet bestäms av vilken mörk materieteori vi tillämpar."

Conroy ledde teamet som kartlade positionerna för över 1, 300 stjärnor i gloria. Utmaningen uppstod i att försöka mäta det exakta avståndet från jorden till en stor del av dessa stjärnor:Det är ofta omöjligt att ta reda på om en stjärna är svag och i närheten eller ljus och långt borta. Teamet använde data från ESA:s Gaia-uppdrag, som ger platsen för många stjärnor på himlen men inte kan mäta avstånd till stjärnorna i Vintergatans yttre regioner.

Efter att ha identifierat stjärnor som sannolikt finns i gloria (eftersom de inte uppenbarligen var inne i vår galax eller i LMC), teamet letade efter stjärnor som tillhör en klass av jättestjärnor som har en specifik ljus "signatur" som kan detekteras av NEOWISE. Att känna till de utvalda stjärnornas grundläggande egenskaper gjorde det möjligt för teamet att ta reda på deras avstånd från jorden och skapa den nya kartan. Den kartlägger en region som börjar omkring 200, 000 ljusår från Vintergatans centrum, eller ungefär där LMC:s kölvatten förutspåddes börja, och sträcker sig omkring 125, 000 ljusår bortom det.

Conroy och hans kollegor inspirerades att jaga efter LMC:s kölvatten efter att ha lärt sig om ett team av astrofysiker vid University of Arizona i Tucson som gör datormodeller som förutsäger hur mörk materia i den galaktiska halo ska se ut. De två grupperna arbetade tillsammans på den nya studien. En av modellerna av Arizona-teamet, som finns i den nya studien, förutspådde den allmänna strukturen och specifika platsen för stjärnvaken som avslöjades på den nya kartan. När uppgifterna hade bekräftat att modellen var korrekt, teamet kunde bekräfta vad andra undersökningar också har antytt:att LMC sannolikt är på sin första omloppsbana runt Vintergatan. Om den mindre galaxen redan hade gjort flera omlopp, formen och placeringen av kölvattnet skulle skilja sig väsentligt från vad som har observerats. Astronomer tror att LMC bildades i samma miljö som Vintergatan och en annan närliggande galax, M31, och var på en mycket lång första bana runt vår galax (cirka 13 miljarder år). Dess nästa omloppsbana kommer att bli mycket kortare på grund av dess interaktion med Vintergatan.

"Att bekräfta vår teoretiska förutsägelse med observationsdata säger oss att vår förståelse av interaktionen mellan dessa två galaxer, inklusive mörk materia, är på rätt väg, " sa University of Arizona doktorand i astronomi Nicolás Garavito-Camargo, som ledde arbetet med den modell som användes i tidningen.

Den nya kartan ger också astronomer en sällsynt möjlighet att testa egenskaperna hos den mörka materien (det tänkta vattnet eller honungen) i vår egen galax. I den nya studien, Garavito-Camargo och kollegor använde en populär teori om mörk materia som kallas kall mörk materia som passar den observerade stjärnkartan relativt bra. Nu kör teamet vid University of Arizona simuleringar som använder olika teorier om mörk materia, för att se vilken som bäst matchar kölvattnet som observerats i stjärnorna.

"Det är en riktigt speciell uppsättning omständigheter som kom samman för att skapa detta scenario som låter oss testa våra teorier om mörk materia, sa Gurtina Besla, en medförfattare till studien och en docent vid University of Arizona. "Men vi kan bara inse det testet med kombinationen av den här nya kartan och simuleringarna av mörk materia som vi byggde."