Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Giống như chúng ta quay quanh mặt trời và mặt trăng quay quanh chúng ta, Dải Ngân hà có các thiên hà vệ tinh với các vệ tinh riêng. Dựa trên dữ liệu về “các nước láng giềng” thiên hà đó, một mô hình mới cho thấy Dải Ngân hà cần có thêm 100 thiên hà vệ tinh rất mờ đang chờ khám phá.
Giống như mặt trời có các hành tinh và các hành tinh có mặt trăng, thiên hà của chúng ta có các thiên hà vệ tinh và một số trong số chúng có thể có các thiên hà vệ tinh nhỏ hơn. Nói một cách dí dỏm, Đám mây Magellan Lớn (LMC), một thiên hà vệ tinh tương đối lớn có thể nhìn thấy từ Nam bán cầu được cho là đã mang theo ít nhất sáu thiên hà vệ tinh của nó khi nó lần đầu tiên tiếp cận Dải Ngân hà dựa trên các phép đo gần đây từ nhiệm vụ Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu.
Các nhà vật lý thiên văn tin rằng vật chất tối chịu trách nhiệm cho phần lớn cấu trúc đó và bây giờ các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Cục Năng lượng và Khảo sát Năng lượng Tối đã rút ra các quan sát về các thiên hà mờ xung quanh Dải Ngân hà để đặt các ràng buộc chặt chẽ hơn về kết nối giữa kích thước và cấu trúc của các thiên hà và các quầng vật chất tối bao quanh chúng. Đồng thời, họ đã tìm thấy nhiều bằng chứng cho sự tồn tại của các thiên hà vệ tinh LMC và đưa ra một dự đoán mới: Nếu các mô hình của các nhà khoa học là chính xác, Dải Ngân hà sẽ có thêm 150 thiên hà vệ tinh rất mờ đang chờ khám phá tiếp theo các dự án thế hệ như Khảo sát di sản về không gian và thời gian của đài thiên văn Vera C. Rubin.
Nghiên cứu mới sắp xuất bản trên Tạp chí Vật lý thiên văn và có sẵn như một bản in ở đây là một phần trong nỗ lực lớn hơn để hiểu vật chất tối hoạt động như thế nào trên quy mô nhỏ hơn thiên hà của chúng ta, Ethan Nadler, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và nghiên cứu sinh tại Kavli nói Viện Vật lý thiên văn và Vũ trụ học hạt (KIPAC) và Đại học Stanford chia sẻ.
“Chúng tôi biết rất rõ về vật chất tối – có bao nhiêu vật chất tối, nó tập hợp như thế nào – nhưng tất cả các tuyên bố này đều đủ điều kiện bằng cách nói, vâng, đó là cách nó hoạt động trên quy mô lớn hơn kích thước của chúng tôi nhóm thiên hà địa phương, “Nadler nói. “Và sau đó, câu hỏi là nó có hoạt động trên quy mô nhỏ nhất mà chúng ta có thể đo được không?”
Chiếu sáng các thiên hà trên vật chất tối
Các nhà thiên văn học từ lâu đã biết Dải Ngân hà có các thiên hà vệ tinh bao gồm Đám mây Magellan Lớn có thể nhìn thấy bằng mắt thường từ Nam bán cầu nhưng con số được cho là chỉ khoảng một chục hoặc khoảng năm 2000 sau đó số lượng các thiên hà vệ tinh quan sát được đã tăng lên đáng kể. Nhờ Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan và các khám phá gần đây hơn của các dự án bao gồm Khảo sát năng lượng tối (DES), số lượng thiên hà vệ tinh được biết đến đã tăng lên khoảng 60.
Những khám phá như vậy luôn luôn thú vị nhưng điều có lẽ thú vị nhất là những gì dữ liệu có thể cho chúng ta biết về vũ trụ. Risa Wechsler, giám đốc KIPAC cho biết: “Lần đầu tiên, chúng ta có thể tìm kiếm các thiên hà vệ tinh này trên khoảng 3/4 bầu trời và điều đó thực sự quan trọng đối với một số cách học khác nhau về vật chất tối và sự hình thành thiên hà”. Năm ngoái, Wechsler, Nadler và các đồng nghiệp đã sử dụng dữ liệu về các thiên hà vệ tinh kết hợp với mô phỏng máy tính để đặt giới hạn chặt chẽ hơn nhiều cho các tương tác của vật chất tối với vật chất thông thường.
Bây giờ, Wechsler, Nadler và nhóm DES đang sử dụng dữ liệu từ một tìm kiếm toàn diện trên hầu hết bầu trời để hỏi các câu hỏi khác nhau bao gồm vật chất tối cần bao nhiêu để hình thành một thiên hà, có bao nhiêu thiên hà vệ tinh chúng ta sẽ tìm thấy xung quanh Dải Ngân hà Cách thức và liệu các thiên hà có thể đưa các vệ tinh của riêng chúng vào quỹ đạo xung quanh chúng ta hay không – một dự đoán chính của mô hình vật chất tối phổ biến nhất.
Gợi ý về thứ bậc thiên hà
Câu trả lời cho câu hỏi cuối cùng đó dường như là một câu “có”.
Khả năng phát hiện một hệ thống phân cấp của các thiên hà vệ tinh xuất hiện lần đầu tiên cách đây vài năm khi DES phát hiện ra nhiều thiên hà vệ tinh trong vùng lân cận Đám mây Magellan lớn hơn so với dự kiến nếu các vệ tinh đó được phân phối ngẫu nhiên trên bầu trời. Những quan sát này đặc biệt thú vị, trong các phép đo Gaia chỉ ra rằng sáu trong số các thiên hà vệ tinh này rơi vào Dải Ngân hà với LMC.
Để nghiên cứu các vệ tinh của LMC kỹ lưỡng hơn, Nadler và nhóm đã phân tích các mô phỏng trên máy tính của hàng triệu vũ trụ có thể. Những mô phỏng đó ban đầu được điều hành bởi Yao-Yuan Mao, cựu sinh viên tốt nghiệp của Wechsler, hiện đang ở Đại học Rutgers, mô hình hóa sự hình thành cấu trúc vật chất tối thấm vào Dải Ngân hà bao gồm các chi tiết như vật chất tối nhỏ hơn vón cục trong Dải Ngân hà dự kiến sẽ lưu trữ các thiên hà vệ tinh. Để kết nối vật chất tối với sự hình thành thiên hà, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một mô hình linh hoạt cho phép họ tính đến sự không chắc chắn trong cách hiểu hiện tại về sự hình thành thiên hà, bao gồm mối quan hệ giữa độ sáng của các thiên hà và khối lượng vật chất tối trong đó chúng hình thành.
Một nỗ lực được dẫn dắt bởi những người khác trong nhóm DES, bao gồm cựu sinh viên KIPAC Alex Drlica-Wagner, Wilson Fellow tại Fermilab và một trợ lý giáo sư thiên văn học và vật lý thiên văn tại Đại học Chicago, và Keith Bechtol, giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison và các cộng tác viên của họ đã tạo ra bước cuối cùng quan trọng: một mô hình trong đó các thiên hà vệ tinh rất có thể được nhìn thấy bởi các cuộc khảo sát hiện tại được đưa ra khi chúng ở trên bầu trời cũng như độ sáng, kích thước và khoảng cách của chúng.
Những thành phần đó trong tay, nhóm nghiên cứu đã chạy mô hình của họ với một loạt các tham số và tìm kiếm các mô phỏng trong đó các vật thể giống LMC rơi vào lực hấp dẫn của một thiên hà giống như Dải Ngân hà. Bằng cách so sánh các trường hợp đó với các quan sát thiên hà, họ có thể suy ra một loạt các thông số vật lý thiên văn bao gồm có bao nhiêu thiên hà vệ tinh nên được gắn thẻ cùng với LMC. Nadler cho biết kết quả phù hợp với các quan sát của Gaia: Sáu thiên hà vệ tinh hiện đang được phát hiện ở vùng lân cận LMC di chuyển với vận tốc gần đúng và ở những nơi gần giống như các nhà thiên văn học đã quan sát trước đây. Các mô phỏng cũng cho thấy LMC lần đầu tiên tiếp cận Dải Ngân hà khoảng 2,2 tỷ năm trước, phù hợp với các phép đo chính xác cao về chuyển động của LMC từ Kính viễn vọng Không gian Hubble.
Thiên hà chưa thấy
Ngoài những phát hiện LMC, nhóm nghiên cứu cũng đưa ra các giới hạn về mối liên hệ giữa halos vật chất tối và cấu trúc thiên hà. Ví dụ, trong các mô phỏng phù hợp nhất với lịch sử của Dải Ngân hà và LMC, các nhà thiên văn học thiên hà nhỏ nhất hiện tại có thể quan sát thấy các ngôi sao có khối lượng kết hợp khoảng một trăm mặt trời và gấp một triệu lần vật chất tối. Theo phép ngoại suy của mô hình, các thiên hà mờ nhất có thể quan sát được có thể hình thành trong các quầng sáng với khối lượng nhỏ hơn hàng trăm lần so với đó.
Và có thể có nhiều khám phá sắp tới: Nếu các mô phỏng là chính xác, có khoảng hơn 100 thiên hà vệ tinh – nhiều hơn gấp đôi số lượng đã được phát hiện – lơ lửng quanh Dải Ngân hà. Việc phát hiện ra các thiên hà đó sẽ giúp xác nhận mô hình của các nhà nghiên cứu về mối liên hệ giữa vật chất tối và sự hình thành thiên hà, và có khả năng đặt ra những ràng buộc chặt chẽ hơn đối với bản chất của vật chất tối.
Nghiên cứu này là một nỗ lực hợp tác trong Khảo sát Năng lượng tối do Nhóm làm việc Milky Way dẫn đầu với sự đóng góp đáng kể từ các thành viên cơ sở bao gồm Sidney Mau, một sinh viên tại Đại học Chicago và Mitch McNanna, một sinh viên tốt nghiệp tại UW-Madison. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Học bổng sau đại học của Quỹ Khoa học Quốc gia bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng thông qua SLAC và Đại học Stanford.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia DOE / SLAC . Bản gốc được viết bởi Nathan Collins. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Đa phương tiện liên quan :
Tạp chí tham khảo :