Glittrande trådar av stjärnor runt Vintergatan kan innehålla svar på en av våra största frågor om universum:vad är mörk materia? Med bilder tagna genom sex olika färgfilter monterade på den största kameran som någonsin byggts för astronomi och astrofysik, kommer Vera C. Rubin Observatorys kommande Legacy Survey of Space and Time att avslöja aldrig tidigare skådade stjärnströmmar runt Vintergatan – och de avslöjande effekterna av deras interaktioner med mörk materia.

Lika fascinerande som floder som glittrar i solljuset, stjärnströmmar spårar gnistrande bågar genom och runt vår hemgalax – Vintergatan. Stjärnströmmar är sammansatta av stjärnor som ursprungligen var bundna i klothopar eller dvärggalaxer, men som har störts av gravitationsinteraktioner med vår galax och dragits in i långa, släpande linjer.

Dessa smala spår av stjärnor visar ofta tecken på störningar, och forskare misstänker att mörk materia i många fall är boven. Vera C. Rubin Observatory kommer snart att tillhandahålla en mängd data för att belysa stjärnströmmar, mörk materia och deras komplexa interaktioner.

Mörk materia utgör 27% av universum, men det kan inte observeras direkt, och forskarna vet för närvarande inte exakt vad det är. För att lära sig mer använder de en mängd olika indirekta metoder för att undersöka dess natur. Vissa metoder, som svag gravitationslinsning, kartlägger fördelningen av mörk materia på stora skalor över universum. Genom att observera stjärnströmmar kan forskare undersöka en annan aspekt av mörk materia eftersom de visar fingeravtrycket av mörk materias gravitationseffekter i liten skala.

Vera C. Rubin-observatoriet, beläget i Chile, kommer att använda ett 8,4-meters teleskop utrustat med världens största digitalkamera för att genomföra en 10-årig undersökning av hela himlen på södra halvklotet med början i slutet av 2025. Resultaten av data, med bilder tagna genom sex olika färgfilter, kommer att göra det enklare än någonsin för forskare att isolera stjärnströmmar mellan och bortom Vintergatan och undersöka dem för tecken på störning av mörk materia.

"Jag är verkligen exalterad över att använda stjärnströmmar för att lära mig om mörk materia", säger Nora Shipp, en postdoktor vid Carnegie Mellon University och medsammankallande av Dark Matter Working Group i Rubin Observatory/LSST Dark Energy Science Collaboration. "Med Rubin Observatory kommer vi att kunna använda stjärnströmmar för att ta reda på hur mörk materia är fördelad i vår galax från de största skalorna ner till mycket små skalor."

Rubin Observatory kommer att inleda vetenskaplig verksamhet i slutet av 2025. Rubin Observatory är ett program av NSF NOIRLab, som tillsammans med SLAC National Accelerator Laboratory kommer att driva Rubin gemensamt.

Bevis tyder på att en sfärisk gloria av mörk materia omger Vintergatan, som består av mindre klumpar av mörk materia. Dessa klumpar interagerar med andra strukturer, stör deras gravitationsdynamik och ändrar deras observerade utseende. När det gäller stjärnströmmar uppträder resultaten av interaktioner med mörk materia som veck eller luckor i de stjärnklara stigarna.

Rubin Observatorys otroligt detaljerade bilder kommer att göra det möjligt för forskare att identifiera och undersöka mycket subtila oregelbundenheter i stjärnströmmar och på så sätt sluta sig till egenskaperna hos de lågmassaklumpar av mörk materia som orsakade dem – till och med begränsa vilka typer av partiklar dessa klumpar är gjorda av .

"Genom att observera stjärnströmmar kommer vi att kunna ta indirekta mätningar av Vintergatans mörka materia-klumpar ner till massor som är lägre än någonsin tidigare, vilket ger oss riktigt bra begränsningar på partikelegenskaperna hos mörk materia," sa Shipp.

Stjärnströmmar i de yttre delarna av Vintergatan är särskilt bra kandidater för att observera effekterna av mörk materia eftersom det är mindre troligt att de har påverkats av interaktioner med andra delar av Vintergatan, vilket kan förvirra bilden. Rubin Observatory kommer att kunna upptäcka stjärnströmmar på ett avstånd av cirka fem gånger längre än vi kan se nu, vilket gör det möjligt för forskare att upptäcka och observera en helt ny population av stjärnströmmar i Vintergatans yttre regioner.

Stjärnströmmar är utmanande att skilja från Vintergatans många andra stjärnor. För att isolera stjärnströmmar söker forskare efter stjärnor med specifika egenskaper som indikerar att de sannolikt hörde ihop som klothopar eller dvärggalaxer. De analyserar sedan rörelsen eller andra egenskaper hos dessa stjärnor för att identifiera de som är anslutna som en ström.

"Stjärnströmmar är som pärlband, vars stjärnor spårar systemets omloppsbana och har en delad historia", säger Jaclyn Jensen, Ph.D. kandidat vid University of Victoria som planerar att använda Rubin/LSST-data för sin forskning om förfäderna till stjärnströmmar och deras roll i bildandet av Vintergatan.

"Med hjälp av egenskaperna hos dessa stjärnor kan vi fastställa information om deras ursprung och vilken typ av interaktion strömmen kan ha upplevt. Om vi ​​hittar ett pärlhalsband med några spridda pärlor i närheten kan vi sluta oss till att något kan ha kommit och brutit sträng."

Rubin Observatorys 3200-megapixel LSST-kamera är utrustad med sex färgfilter – inklusive ett ultraviolett filter, särskilt för forskare från fantastiska strömmar som Shipp och Jensen. Rubins ultravioletta filter kommer att ge kritisk information om den blå-ultravioletta änden av ljusspektrumet som gör det möjligt för forskare att urskilja de subtila skillnaderna och reda ut stjärnorna i en ström från likadana stjärnor i Vintergatan.

Sammantaget kommer Rubin att förse forskare med tusentals djupa bilder tagna genom alla sex filtren, vilket ger dem en tydligare bild av stjärnströmmar än någonsin tidigare.

Lavinen av data som Rubin kommer att tillhandahålla kommer också att inspirera till nya verktyg och metoder för att isolera stjärnströmmar. Som Shipp noterar:"Just nu är det en arbetsintensiv process att plocka ut potentiella strömmar med ögat - Rubins stora mängd data ger en spännande möjlighet att tänka på nya, mer automatiserade sätt att identifiera strömmar."

Tillhandahålls av National Science Foundation