Vintergatans gravitation kan efterlikna tecken på mörk materia

Stjärnströmmar – långa, tunna band av stjärnor som bildas när en stjärnhop eller en mindre galax slits isär – har länge betraktats som känsliga detektorer av mörk materia. Om en osynlig subhalo av mörk materia passerar genom en sådan ström kan den skapa luckor och andra störningar i det annars smala stjärnbandet.

Men en ny studie från University of Washington, publicerad den 27 augusti i The Astrophysical Journal, visar att Vintergatans vanliga materia och ojämna gravitationsfält kan skapa många av samma visuella tecken. 6

Resultatet gör inte stjärnströmmar oanvändbara i jakten på mörk materia. Det visar snarare att astronomer först måste förstå hur mycket oregelbundenhet Vintergatans egen gravitation kan framkalla.

Så testades galaxernas gravitation

Forskarna simulerade fyra galaxer med massor och strukturer som liknar Vintergatans. I experimentet tog de medvetet bort klumpar av mörk materia, så kallade subhalon. Därefter placerade de omkring 15 000 stjärnströmmar i miljöerna och lät systemen utvecklas under fem miljarder simulerade år.

Upplägget isolerade en specifik fråga: Vad kan en galax egen gravitation göra med en stjärnström, även utan möten med subhalon av mörk materia?

Nästan alla strömmar blev oregelbundna

Svaret var att oregelbundenhet är vanligt. Nästan alla simulerade stjärnströmmar fick strukturer som:

• luckor,
• knixar och böjar,
• utskott och grenar,
• klumpar eller andra avvikelser från ett jämnt stjärnband. 6

Bara omkring 1 procent av strömmarna förblev helt jämna, enligt studiens rapporterade resultat. 6 En oregelbunden stjärnström är alltså inte automatiskt ett bevis på att en subhalo av mörk materia har passerat genom den.

Den främsta orsaken till störningarna var den ojämnt fördelade stjärnskivan i värdgalaxen. När en stjärnström passerade genom tätare områden mötte den ett gravitationsfält som förändrades längs banan. Den varierande dragningen kunde böja, sträcka ut och slita sönder strömmen – och skapa strukturer som liknar de effekter man förväntar sig av subhalon av mörk materia. 6

En referenspunkt – inte ett motbevis

Studien förändrar hur bevis från stjärnströmmar bör tolkas, men den tar inte bort deras vetenskapliga värde. En synlig lucka eller böj kan fortfarande ha orsakats av en subhalo av mörk materia. Skillnaden är att forskarna måste jämföra fenomenet med de störningar som Vintergatan själv kan skapa.

Genom att genomföra simuleringar utan subhalon fick forskarna fram ett kontrollfall för värdgalaxens effekter. Den referenspunkten kan användas i framtida simuleringar för att identifiera strukturer som uppträder oftare, eller i andra former, när subhalon av mörk materia läggs till. 6

Jämförelsen är viktig. Utan den finns en risk för falska positiva resultat – att helt vanliga galaktiska störningar tolkas som tecken på osynliga strukturer av mörk materia.

Vad Rubin-observatoriet kan bidra med

Vera C. Rubin-observatoriet, vars Simonyi Survey Telescope ska kartlägga himlen med hög känslighet, väntas hitta många fler svaga stjärnströmmar och ge mer detaljerade bilder av deras strukturer. Ett större observationsmaterial kan ge astronomer bättre möjligheter att jämföra verkliga stjärnströmmar med simuleringar där Vintergatans gravitation och subhalon av mörk materia modelleras separat. 6

Nästa steg är därför inte att överge stjärnströmmar som verktyg, utan att göra metoden mer träffsäker. Genom att kombinera realistiska modeller av värdgalaxer, simuleringar som inkluderar subhalon av mörk materia och Rubin-observatoriets växande katalog kan forskare bättre avgöra vilka oregelbundenheter som är vanliga följder av galaktisk dynamik – och vilka som faktiskt kan peka mot mörk materia.