은하수의 느린 바깥쪽 별은 암흑물질이 과장되었음을 나타냅니다.

매사추세츠 공과대학외부 연구 쇼 은하수 별은 더 천천히 회전하며 이는 암흑 물질이 덜 포함된 더 가벼운 핵을 나타냅니다. 이는 이전 가정과 모순됩니다.

MIT 물리학자들은 은하수 전체에 걸쳐 별들의 속도를 기록함으로써 은하계 원반의 별들이 은하 중심에 더 가까운 별들에 비해 예상보다 느리게 움직인다는 사실을 발견했습니다. 결과는 놀라운 가능성을 제기합니다. 은하수의 중력 핵은 이전에 생각했던 것보다 더 가볍고 암흑 물질을 덜 함유하고 있을 수 있습니다.

새로운 발견은 Gaia 및 APOGEE 장비로 캡처한 데이터에 대한 팀의 분석을 기반으로 합니다. Gaia는 은하계 전체에 걸쳐 10억 개 이상의 별의 정확한 위치, 거리 및 움직임을 추적하는 궤도 우주 망원경인 반면, APOGEE는 지상 기반 조사입니다. 물리학자들은 은하계에서 가장 멀리 떨어진 별들을 포함해 33,000개 이상의 별에 대한 가이아의 측정치를 분석하고 각 별의 '원속도', 즉 별이 은하계 중심으로부터의 거리를 고려하여 은하계 원반에서 얼마나 빨리 회전하는지를 결정했습니다. 은하계. .

은하 회전의 이해

과학자들은 은하 중심으로부터 주어진 거리에서 물질이 얼마나 빨리 회전하는지를 나타내는 천문학의 표준 그래프인 회전 곡선을 생성하기 위해 거리에 대한 각 별의 속도를 표시했습니다. 이 곡선의 모양은 과학자들에게 눈에 보이는 물질과 암흑 물질이 은하계 전체에 얼마나 많이 분포되어 있는지에 대한 아이디어를 제공할 수 있습니다.

MIT 물리학과 조교수인 Lina Naguib은 “우리가 보고 정말 놀랐던 것은 이 곡선이 일정 거리 동안 평평하고 평평하게 유지되다가 쇠퇴하기 시작했다는 것입니다.”라고 말했습니다. “이것은 바깥쪽 별이 예상보다 약간 느리게 회전하고 있다는 것을 의미하며 이는 매우 놀라운 결과입니다.”

매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology) 물리학자들의 연구에 따르면 우리은하의 중력 핵은 이전에 생각했던 것보다 질량이 더 가볍고 암흑 물질이 덜 포함되어 있을 수 있다고 합니다. 이미지 출처: ESA/Gaia/DPAC, 편집: MIT News

도전적인 암흑 물질 이론

연구팀은 새로운 회전 곡선을 외계 별의 속도 저하를 설명할 수 있는 암흑 물질의 분포로 변환했으며 결과 지도가 예상보다 더 가벼운 은하 핵을 생성한다는 사실을 발견했습니다. 즉, 은하수의 중심은 과학자들이 생각하는 것보다 밀도가 낮고 암흑 물질을 덜 함유하고 있을 수 있습니다.

Najeeb은 “이로 인해 이 결과는 다른 측정 결과와 긴장 관계가 됩니다.”라고 말했습니다. “어딘가에서 수상한 일이 벌어지고 있는데, 그것이 어디에 있는지 알아내고 은하수의 일관된 그림을 얻는 것은 정말 흥미롭습니다.”

팀은 이번 달에 결과를 발표합니다. 왕립학회지 월간 공지. Nassib을 포함한 MIT 연구의 공동 저자는 첫 번째 저자인 Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers 및 Anna Friebel입니다.

“무에서”

우주의 대부분의 은하와 마찬가지로 은하수도 소용돌이 속의 물처럼 회전하며, 그 회전은 부분적으로 디스크 내에서 소용돌이치는 모든 물질에 의해 구동됩니다. 1970년대에 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)은 순수하게 눈에 보이는 물질로는 움직일 수 없는 방식으로 은하가 회전한다는 사실을 처음으로 발견했습니다. 그녀와 동료들은 별의 회전 속도를 측정한 결과 회전 곡선이 놀라울 정도로 평평하다는 사실을 발견했습니다. 이는 별의 속도가 거리에 따라 감소하는 것이 아니라 은하 전체에서 동일하게 유지된다는 것을 의미합니다. 그들은 또 다른 유형의 보이지 않는 물질이 먼 별에 영향을 주어 별에 추가적인 힘을 주고 있음이 틀림없다고 결론지었습니다.

회전 곡선에 대한 루빈의 연구는 우주의 모든 별과 기타 눈에 보이는 물질보다 더 큰 것으로 추정되는 눈에 보이지 않고 알려지지 않은 존재인 암흑 물질의 존재에 대한 최초의 강력한 증거 중 하나였습니다.

그 이후로 천문학자들은 먼 은하계에서도 비슷한 평평한 곡선을 관찰해 암흑 물질의 존재를 뒷받침했습니다. 최근에야 천문학자들은 별을 이용해 우리 은하의 회전 곡선을 그리려고 시도했습니다.

Au는 “은하 내부에 있을 때는 회전 곡선을 측정하기가 어렵다는 것이 밝혀졌습니다.”라고 말합니다.

Gaia 데이터의 새로운 통찰력

2019년 MIT 물리학과 조교수인 안나 크리스티나 엘러스(Anna Christina Ehlers)는 가이아 위성의 이전 데이터 세트를 사용하여 은하수의 회전 곡선을 그렸습니다. 이 데이터 릴리스에는 은하 중심에서 최대 25킬로파섹, 즉 약 81,000광년 떨어진 별이 포함되어 있습니다.

이러한 데이터를 바탕으로 Ehlers는 은하수의 회전 곡선이 다른 먼 은하와 유사하게 약간 기울어지기는 하지만 평평하게 나타난다는 것을 관찰했으며 추론에 따르면 은하계의 중심에는 높은 밀도의 암흑 물질이 있을 가능성이 높습니다. 그러나 망원경이 이번에는 은하 중심에서 약 100,000광년 떨어진 30킬로파섹만큼 떨어진 별을 포함하는 새로운 데이터 세트를 공개함에 따라 그 의견은 이제 바뀌었습니다.

“이 거리에서 우리는 별이 희미해지기 시작하는 은하계의 가장자리에 있습니다”라고 Friple은 말합니다. “우리가 말 그대로 무(無)에 있는 이 외부 은하계에서 물질이 어떻게 움직이는지 탐구한 사람은 아무도 없습니다.”

이상한 긴장감

Frebel, Naguib, Au 및 Ehlers는 Ehlers의 초기 회전 곡선을 확장하기 위해 새로운 Gaia 데이터에 뛰어들었습니다. 분석을 개선하기 위해 팀은 밝기, 온도 및 원소 구성과 같은 은하수에 있는 700,000개 이상의 별의 매우 상세한 특성을 측정하는 APOGEE(Apache Point Observatory의 은하 진화 실험)의 측정으로 Gaia 데이터를 보완했습니다.

“우리는 이 모든 정보를 알고리즘에 입력하여 별까지의 거리를 더 잘 추정할 수 있는 연결을 학습하려고 합니다.”라고 Au는 설명합니다. “이것이 우리가 더 나아갈 수 있는 방법입니다.”

팀은 33,000개가 넘는 별의 정확한 거리를 결정하고 이러한 측정값을 사용하여 은하수를 가로질러 약 30킬로파섹에 걸쳐 퍼져 있는 별의 3D 지도를 만들었습니다. 그런 다음 그들은 이 지도를 원형 속도 모델로 결합하여 은하계의 다른 모든 별의 분포를 고려하여 모든 별이 움직여야 하는 속도를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 그들은 은하수의 업데이트된 회전 곡선을 생성하기 위해 차트에 각 별의 속도와 거리를 표시했습니다.

Naguib은 “여기서 이상한 점이 생겼습니다.”라고 말했습니다.

이전 회전 곡선처럼 약간의 하락을 보는 대신, 팀은 새로운 곡선이 바깥쪽 끝에서 예상보다 더 강하게 하락하는 것을 발견했습니다. 이러한 예상치 못한 감소는 별이 특정 거리에서는 같은 속도로 이동할 수 있지만 더 먼 거리에서는 갑자기 속도가 느려진다는 것을 나타냅니다. 교외의 별들은 예상보다 더 느리게 움직이는 것처럼 보입니다.

은하계의 비밀을 탐험해보세요

연구팀은 이 회전 곡선을 은하계 전체에 존재해야 하는 암흑 물질의 양으로 변환했을 때, 은하계의 핵에는 이전에 추정된 것보다 암흑 물질이 덜 포함되어 있을 수 있음을 발견했습니다.

Najeeb은 “이 결과는 다른 측정값과 일치하지 않습니다.”라고 말했습니다. “이 결과를 실제로 이해하는 것은 심오한 파급 효과를 가져올 것입니다. 이는 은하 원반 가장자리 너머에 더 많은 숨겨진 질량이 있거나 우리 은하의 평형 상태가 수정될 수 있습니다. 우리는 고해상도를 사용하여 다가오는 작업에서 이러한 답을 찾으려고 합니다. 은하수와 유사한 은하의 시뮬레이션.

참고: Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib 및 Anna Friebel의 “원형 속도 곡선에서 추론된 은하수의 암흑 물질 사진”, 2024년 1월 8일, 왕립천문학회 월간 공지.
도이: 10.1093/mnras/stae034

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 일부 자금 지원을 받았습니다.