I två separata studier med hjälp av NASA:s kommande James Webb rymdteleskop, ett team av astronomer kommer att observera dvärggalaxens följeslagare till Vintergatan och den närliggande Andromedagalaxen. Att studera dessa små följeslagare kommer att hjälpa forskare att lära sig om galaxbildning och egenskaperna hos mörk materia, ett mystiskt ämne som tros stå för ungefär 85 % av materien i universum.

I den första studien, teamet kommer att få kunskap om mörk materia genom att mäta stjärnornas rörelser i två dvärgkompisar till Vintergatan. I den andra studien, de kommer att undersöka rörelserna hos fyra dvärggalaxer runt vår närmaste stora galaktiska granne, Andromedagalaxen. Detta kommer att hjälpa till att avgöra om några av Andromedas satellitgalaxer kretsar inuti ett platt plan, som planeterna runt vår sol. Om de gör det, det skulle få viktiga konsekvenser för att förstå galaxbildningen. Huvudutredaren för båda programmen är Roeland van der Marel från Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore, Maryland.

Att observera stjärnrörelser i dvärggalaxkompanjoner till Vintergatan

De galaxer som ligger närmast vår egen Vintergatan är dess dvärggalaxer, som är mycket mindre än Vintergatan. Van der Marel och hans team planerar att studera stjärnornas rörelser i två av dessa dvärggalaxer, Draco och skulptör. Stjärnornas banor styrs av gravitationen som uppstår från den mörka materien i varje galax. Genom att studera hur stjärnorna rör sig, forskarna kommer att kunna avgöra hur den mörka materian är fördelad i dessa galaxer.

"Hur strukturer i universum bildas beror på egenskaperna hos den mörka materien som omfattar det mesta av massan i universum, " förklarade van der Marel. "Så vi vet att det finns mörk materia, men vi vet inte vad som egentligen utgör denna mörka materia. Vi vet bara att det finns något i universum som har gravitation och det drar på saker, men vi vet inte riktigt vad det är."

Teamet kommer att studera fördelningen av mörk materia i dvärggalaxernas centrum för att bestämma temperaturegenskaperna hos detta mystiska fenomen. Om mörk materia är "kall, dess densitet kommer att vara mycket hög nära galaxernas centrum. Om mörk materia är "varm, "det kommer att vara mer homogent i hela området som närmar sig de galaktiska centran.

Samtidigt studerar Webbs Near Infrared Camera (NIRCam) Dracos och Sculptors centra, ett annat instrument, Near Infrared Imager och Slitless Spectrograph (NIRISS), kommer att sondera utkanten av dvärggalaxerna. "Dessa samtidiga observationer kommer att ge en viss inblick i hur stjärnor rör sig på olika sätt nära centrum och utkanten av dvärggalaxerna, " sa medutredaren Tony Sohn från STScI. "De kommer också att tillåta två oberoende mätningar av samma galax, för att kontrollera om det finns några systematiska eller instrumentella effekter."

Eftersom Webb har ungefär sex gånger så stor ljusinsamlingsyta som NASA:s rymdteleskop Hubble, teamet kan mäta stjärnornas rörelser mycket svagare än vad Hubble kan se. Ju fler stjärnor som ingår i en studie, desto mer exakt kan teamet modellera den mörka materien som påverkar deras rörelser.

Studerar rörelsen hos dvärggalaxföljeslagare till Andromeda

Den närmaste stora granngalaxen till vår Vintergatan, Andromeda har många dvärggalaxkompisar, precis som Vintergatan gör. Van der Marel och hans team planerar att studera hur fyra av dessa dvärggalaxer rör sig runt Andromeda, för att avgöra om de är grupperade inom ett platt plan i rymden, eller om de rör sig runt Andromeda åt alla håll.

Till skillnad från det första observationsprogrammet, teamet försöker inte mäta hur stjärnor inuti dvärggalaxerna rör sig. I den här studien, de försöker avgöra hur dvärggalaxerna som helhet rör sig runt Andromeda. Detta kommer att ge insikter i processen där stora galaxer bildas genom ackretion och ansamling av mindre galaxer, och hur exakt det fungerar.

I de flesta modeller, dvärggalaxer som omger större galaxer förväntas inte ligga i ett plan. Vanligtvis, forskare förväntar sig att dvärggalaxer flyger runt större galaxer på slumpmässiga sätt. Långsamt, dessa dvärgkamrater skulle förlora energi och samlas in i den större galaxen, som skulle växa sig ännu större.

Dock, för både Vintergatan och Andromeda, flera studier har föreslagit att åtminstone en del av dvärggalaxerna ligger i ett plan, och kan till och med rotera i det planet. Ett av sätten att avgöra om det är sant är att mäta deras tredimensionella rörelser. Om rörelserna faktiskt är i planet, det skulle tyda på att dvärggalaxerna kommer att stanna i ett plan. Men om de medföljande dvärgarna verkar vara i ett plan men deras rörelser är i alla riktningar, som skulle indikera en slumpmässig anpassning och inte en långvarig struktur.

Om dvärggalaxerna radar upp sig i ett plan, det kan betyda en av flera saker. Det kan vara så att en stor del av dvärgkompisarna föll i omloppsbana runt Andromeda som en enda grupp. Om så vore fallet, dvärgarna skulle behålla "minnet" som de alla föll i tillsammans, och de skulle uppvisa liknande dynamiska egenskaper just nu.

En annan möjlighet är att Andromedas dvärggalaxer bildades som vad som kallas "tidvattendvärggalaxer". Dessa gravitationsbundna samlingar av gas och stjärnor bildas under sammanslagningar eller interaktioner mellan stora spiralgalaxer. De är lika massiva som dvärggalaxer men domineras inte av mörk materia, som forskare tror att de flesta av dvärggalaxerna runt omkring oss är. Det är möjligt att en sammanslagning av två stora galaxer med mycket gas kan bilda några dvärggalaxer som hamnar i en enda plan struktur, men det vore ovanligt, eftersom forskare inte tror att tidvattendvärggalaxer är den dominerande typen av dvärggalax i universum. Dvärggalaxer är vanligtvis kända för att bildas inuti moln av mörk materia som kallas halos.

Båda fallen kan innebära att galaxbildningen kan vara mer komplicerad än vad forskare ibland tror. Båda skulle ge ytterligare begränsningar för forskare som utvecklar teoretiska modeller för galaxbildning.

Webbs extrema noggrannhet och precision

I båda programmen, teamet kommer att pressa Webb till dess gränser när det gäller noggrannhet och precision. "Det är en väldigt knepig situation, eftersom det vi vill mäta är väldigt små rörelser, " förklarade medutredaren Andrea Bellini från STScI. "Noggrannheten vi vill uppnå är som att mäta något som rör sig några centimeter per år på månens yta, sett från jorden."

Båda studierna är Guaranteed Time Observations (GTO) program som tilldelats teamet av Webb Telescope Scientist, Matt Mountain. Han är också ordförande för Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), med huvudkontor i Washington, D.C.

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.