Precis som solen har planeter och planeterna har månar, vår galax har satellitgalaxer, och några av dem kan ha mindre egna satellitgalaxer. Nämligen, det stora magellanska molnet (LMC), en relativt stor satellitgalax som är synlig från södra halvklotet, tros ha tagit med sig minst sex av sina egna satellitgalaxer när den först närmade sig Vintergatan, baserat på färska mätningar från Europeiska rymdorganisationens Gaia-uppdrag.

Astrofysiker tror att mörk materia är ansvarig för mycket av den strukturen, och nu har forskare vid avdelningen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Dark Energy Survey utgått från observationer av svaga galaxer runt Vintergatan för att sätta strängare begränsningar för sambandet mellan storleken och strukturen hos galaxer och halosorna av mörk materia som omger dem . På samma gång, de har hittat fler bevis för existensen av LMC-satellitgalaxer och gjort en ny förutsägelse:Om forskarnas modeller är korrekta, Vintergatan borde ha ytterligare 150 eller fler mycket svaga satellitgalaxer som väntar på upptäckt av nästa generations projekt som Vera C. Rubin Observatorys Legacy Survey of Space and Time.

Den nya studien, kommande i Astrofysisk tidskrift och finns som förtryck här, är en del av ett större försök att förstå hur mörk materia fungerar på skalor som är mindre än vår galax, sa Ethan Nadler, studiens första författare och doktorand vid Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) och Stanford University.

"Vi vet vissa saker om mörk materia mycket väl - hur mycket mörk materia finns det, hur klungar det ihop sig – men alla dessa påståenden kvalificeras genom att säga, ja, det är så den beter sig på skalor större än storleken på vår lokala grupp av galaxer, " sa Nadler. "Och då är frågan, fungerar det på de minsta skalor vi kan mäta?"

Lysande galaxers ljus på mörk materia

Astronomer har länge vetat att Vintergatan har satellitgalaxer, inklusive det stora magellanska molnet, som kan ses med blotta ögat från södra halvklotet, men antalet ansågs vara runt bara ett dussin eller så fram till omkring år 2000. Sedan dess, antalet observerade satellitgalaxer har ökat dramatiskt. Tack vare Sloan Digital Sky Survey och nyare upptäckter av projekt inklusive Dark Energy Survey (DES), antalet kända satellitgalaxer har klättrat till cirka 60.

Sådana upptäckter är alltid spännande, men det som kanske är mest spännande är vad data kan berätta om kosmos. "För första gången, vi kan leta efter dessa satellitgalaxer över ungefär tre fjärdedelar av himlen, och det är verkligen viktigt för flera olika sätt att lära sig om mörk materia och galaxbildning, sa Risa Wechsler, direktör för KIPAC. Förra året, till exempel, Wechsler, Nadler och kollegor använde data om satellitgalaxer i samband med datorsimuleringar för att sätta mycket snävare gränser för mörk materias interaktion med vanlig materia.

Nu, Wechsler, Nadler och DES-teamet använder data från en omfattande sökning över större delen av himlen för att ställa olika frågor, inklusive hur mycket mörk materia som krävs för att bilda en galax, hur många satellitgalaxer vi bör förvänta oss att hitta runt Vintergatan och om galaxer kan föra sina egna satelliter i omloppsbana runt vår egen – en nyckelförutsägelse av den mest populära modellen av mörk materia.

Tips om galaktisk hierarki

Svaret på den sista frågan verkar vara ett rungande "ja".

Möjligheten att upptäcka en hierarki av satellitgalaxer uppstod först för några år sedan när DES upptäckte fler satellitgalaxer i närheten av Stora Magellanska molnet än de skulle ha förväntat sig om dessa satelliter var slumpmässigt fördelade över himlen. Dessa observationer är särskilt intressanta, Nadler sa, i ljuset av Gaia-mätningarna, vilket indikerade att sex av dessa satellitgalaxer föll i Vintergatan med LMC.

För att studera LMC:s satelliter mer ingående, Nadler och team analyserade datorsimuleringar av miljontals möjliga universum. Dessa simuleringar, ursprungligen drivs av Yao-Yuan Mao, en före detta doktorand vid Wechslers som nu är vid Rutgers University, modellera bildandet av mörk materiastruktur som genomsyrar Vintergatan, inklusive detaljer som mindre klumpar av mörk materia i Vintergatan som förväntas vara värd för satellitgalaxer. För att koppla mörk materia till galaxbildning, forskarna använde en flexibel modell som låter dem redogöra för osäkerheter i den nuvarande förståelsen av galaxbildning, inklusive förhållandet mellan galaxernas ljusstyrka och massan av mörka materieklumpar inom vilka de bildas.

En insats ledd av de andra i DES-teamet, inklusive tidigare KIPAC-studenter Alex Drlica-Wagner, en Wilson Fellow vid Fermilab och en biträdande professor i astronomi och astrofysik vid University of Chicago, och Keith Bechtol, en biträdande professor i fysik vid University of Wisconsin-Madison, och deras medarbetare tog fram det avgörande sista steget:en modell av vilka satellitgalaxer som mest sannolikt kommer att ses av nuvarande undersökningar, med tanke på var de är på himlen såväl som deras ljusstyrka, storlek och avstånd.

Dessa komponenter i handen, teamet körde sin modell med ett brett spektrum av parametrar och sökte efter simuleringar där LMC-liknande objekt föll in i gravitationskraften av en Vintergatan-liknande galax. Genom att jämföra dessa fall med galaktiska observationer, de skulle kunna sluta sig till en rad astrofysiska parametrar, inklusive hur många satellitgalaxer som borde ha märkts med LMC. Resultaten, Nadler sa, överensstämde med Gaia-observationer:Sex satellitgalaxer bör för närvarande detekteras i närheten av LMC, rör sig med ungefär rätt hastigheter och på ungefär samma ställen som astronomer tidigare hade observerat. Simuleringarna antydde också att LMC först närmade sig Vintergatan för cirka 2,2 miljarder år sedan, överensstämmer med högprecisionsmätningar av LMC:s rörelse från rymdteleskopet Hubble.

Galaxer som ännu inte har setts

Förutom LMC-resultaten, teamet satte också gränser för sambandet mellan mörk materia-glorier och galaxstruktur. Till exempel, i simuleringar som närmast matchade Vintergatans och LMC:s historia, de minsta galaxer som astronomer för närvarande kunde observera borde ha stjärnor med en sammanlagd massa på runt hundra solar, och ungefär en miljon gånger så mycket mörk materia. Enligt en extrapolering av modellen, de svagaste galaxerna som någonsin kunde observeras kan bildas i glorier som är upp till hundra gånger mindre massiva än så.

Och det kan komma fler upptäckter:Om simuleringarna är korrekta, Nadler sa, det finns cirka 100 fler satellitgalaxer – mer än dubbelt så många som redan upptäckts – som svävar runt Vintergatan. Upptäckten av dessa galaxer skulle hjälpa till att bekräfta forskarnas modell av kopplingarna mellan mörk materia och galaxbildning, han sa, och troligen sätter hårdare begränsningar på naturen av mörk materia i sig.

Forskningen var ett samarbete inom Dark Energy Survey, ledd av Vintergatans arbetsgrupp, med betydande bidrag från juniormedlemmar inklusive Sidney Mau, en grundutbildning vid University of Chicago, och Mitch McNanna, en doktorand vid UW-Madison. Forskningen stöddes av ett National Science Foundation Graduate Fellowship, av Department of Energy's Office of Science genom SLAC, och av Stanford University.