Melkeveiens tyngdekraft kan etterligne tegn på mørk materie

Stjernestrømmer blir ofte brukt som følsomme «detektorer» for mørk materie. En forbipasserende understruktur – en klump av mørk materie – kan forstyrre den ellers smale rekken av stjerner og etterlate hull eller andre uregelmessigheter.

En ny studie fra University of Washington, publisert 27. august i The Astrophysical Journal, viser imidlertid at Melkeveiens egen tyngdekraft kan skape mange av de samme sporene. 6

Resultatet betyr ikke at stjernestrømmer er ubrukelige i jakten på mørk materie. Det viser først og fremst at astronomene trenger et tydelig sammenligningsgrunnlag før de kan tolke en ujevnhet som et tegn på en usynlig understruktur.

Dette testet forskerne

Forskerne simulerte fire galakser med masse og struktur som ligner Melkeveiens. Modellene var basert på FIRE-2- og Latte-simuleringene, men klumper av mørk materie ble bevisst fjernet fra forsøket. Deretter plasserte de rundt 15 000 stjernestrømmer i galaksene og lot systemene utvikle seg gjennom fem milliarder simulerte år.

På den måten kunne forskerne isolere ett spørsmål: Hva kan galaksens egen tyngdekraft gjøre med en stjernestrøm, uten møter med understrukturer av mørk materie?

Nesten alle strømmene ble ujevne

Svaret var at uregelmessigheter er svært vanlige. Nesten alle de simulerte stjernestrømmene fikk trekk som:

• hull eller avbrudd;
• knekker og bøyde partier;
• utløpere og grener; og
• klumper eller andre avvik fra en jevn stjernerekke. 6

Ifølge studien forble bare rundt 1 prosent av strømmene helt jevne. 6 En ujevn stjernestrøm er dermed ikke automatisk bevis på at en klump av mørk materie har passert gjennom den.

Den viktigste årsaken til forstyrrelsene var den ujevne stjerneskiven i vertsgalaksen. Når en stjernestrøm beveger seg gjennom tettere områder, møter den et gravitasjonsfelt som varierer fra sted til sted. Denne skiftende påvirkningen kan bøye, strekke og rive i strømmen – og skape strukturer som ligner forventede spor etter mørk materie. 6

Et viktig kontrollgrunnlag – ikke et motbevis

Studien avviser ikke stjernestrømmer som verktøy i mørk materie-forskningen. Den endrer hvordan observasjonene bør tolkes.

Et synlig hull eller en knekk kan fortsatt skyldes en understruktur av mørk materie. Men forskerne må først sammenligne funnet med de forstyrrelsene Melkeveiens vanlige materie og egen gravitasjonsstruktur kan produsere.

Ved å simulere galakser uten understrukturer av mørk materie har forskerne laget en kontrollmodell for effektene fra selve vertsgalaksen. Senere simuleringer kan bruke dette grunnlaget til å undersøke hvilke trekk som oppstår oftere – eller ser annerledes ut – når understrukturer av mørk materie legges til. 6

Sammenligningen er avgjørende. Uten den risikerer astronomene å telle falske positiver: vanlige forstyrrelser i galaksen som feilaktig tolkes som tegn på usynlige strukturer.

Rubin-observatoriet kan gi flere svar

Vera C. Rubin-observatoriets Simonyi Survey Telescope skal etter planen finne mange flere svake stjernestrømmer og kartlegge strukturen deres mer detaljert. Et større observasjonsmateriale vil gi forskerne flere muligheter til å sammenligne virkelige stjernestrømmer med modeller som skiller mellom Melkeveiens egen tyngdekraft og påvirkningen fra understrukturer av mørk materie. 6

Neste skritt er derfor ikke å legge stjernestrømmer til side, men å gjøre metoden mer presis. Ved å kombinere realistiske galaksesimuleringer, modeller med understrukturer av mørk materie og Rubin-observatoriets voksende oversikt kan astronomene bedre avgjøre hvilke uregelmessigheter som er vanlige følger av galaksens dynamikk – og hvilke som faktisk kan peke mot mørk materie.