Phát hiện dòng sao cụm cầu đầu tiên ngoài Ngân Hà

Dòng sao là những cấu trúc động lực học rất lạnh: hình dạng mảnh mai, gắn kết của chúng cực kỳ nhạy cảm với các nhiễu loạn hấp dẫn từ các vầng hào quang vật chất tối . Bằng cách mô hình hóa hình dạng của dòng sao, các nhà nghiên cứu có thể suy ra hình dạng và mức độ tập trung của vầng hào quang vật chất tối bao quanh thiên hà chủ, một điều trước đây không thể thực hiện được nếu chỉ giới hạn trong Nhóm Địa phương .

Dòng sao được tìm thấy như thế nào trong dữ liệu lưu trữ của Hubble?

Dòng sao này được phát hiện từ những hình ảnh có sẵn do Máy quay Tiên tiến (ACS) của Kính viễn vọng Không gian Hubble chụp, vốn ban đầu được dùng cho các mục đích nghiên cứu khác . Nhóm nghiên cứu đã rà soát kho dữ liệu lưu trữ để tìm kiếm dấu hiệu về hình thái bị xáo trộn xung quanh thiên hà UGC 9050-Dw1. Thiên hà này vốn đã được biết đến là nơi tập trung bất thường nhiều cụm sao cầu (khoảng 52 ± 12 cụm đã được xác định) và có một luồng thủy triều kéo dài từ các tương tác trước đây . Nhóm nghiên cứu đã nhận thấy một đặc điểm sao mảnh mai, kéo dài từ một trong các cụm sao cầu của thiên hà, hoàn toàn khớp với dấu hiệu đặc trưng của một dòng sao thủy triều . Nhà vật lý thiên văn Catherine Fielder tại Đại học Northwestern là một trong những người tham gia các nghiên cứu trước đó để xác định quần thể cụm sao cầu của thiên hà này .

UGC 9050-Dw1 là một thiên hà siêu khuếch tán, một loại thiên hà có độ sáng bề mặt rất thấp. Nó sở hữu một số lượng bất thường các cụm sao cầu, và khoảng 20% tổng ánh sáng của nó đến từ các cụm sao đặc này .

Làm thế nào các dòng sao truy tìm vật chất tối?

Hình thái của một dòng sao—bao gồm độ rộng, độ cong, và bất kỳ khoảng trống hay chỗ uốn lượn nào dọc theo chiều dài của nó—mã hóa trực tiếp trường hấp dẫn mà nó di chuyển qua . Nếu vật chất tối là "lạnh" và có cấu trúc vón cục, các dòng sao sẽ bị xáo trộn bởi nhiều vầng hào quang nhỏ, tạo ra các khoảng trống và điểm gấp khúc đặc trưng. Ngược lại, nếu vật chất tối là "ấm" hoặc có các tính chất khác, thì quần thể vầng hào quang sẽ thay đổi và tạo ra các hình dạng dòng sao khác biệt. Bằng cách mô hình hóa dòng sao quan sát được trong UGC 9050-Dw1, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu thử nghiệm các mô hình vật chất tối ở những khoảng cách mà trước đây không thể thực hiện được .

Sử dụng phương pháp mô hình tạo sinh có tên X-Stream, nhóm đã trực tiếp điều chỉnh các mô hình động lực học phù hợp với hình dạng của dòng sao để xác định khối lượng của cụm sao cầu ban đầu, đồng thời đưa ra những ràng buộc đầu tiên dựa trên dòng sao đối với vầng hào quang của một thiên hà siêu khuếch tán . Nghiên cứu này cho thấy UGC 9050-Dw1 sở hữu một vầng hào quang vật chất tối với các đặc tính cấu trúc cụ thể .

Cuộc cách mạng sắp tới: Roman, Euclid và Rubin

Nhóm nghiên cứu kỳ vọng phát hiện này mới chỉ là sự khởi đầu. Các sứ mệnh không gian sắp tới sẽ mở rộng đáng kể phạm vi săn tìm:

• Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman (NASA) — Với máy ảnh trường rộng 200 megapixel, Roman có thể khảo sát toàn bộ các thiên hà lân cận chỉ trong một lần chụp, giải quyết những dòng sao mảnh mai mà cần tới hàng trăm bức ảnh Hubble mới có thể che phủ . Roman được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu các dòng sao và được dự đoán sẽ tìm thấy hàng chục dòng sao từ các cụm cầu trong các thiên hà bên ngoài . Một bài báo của NASA Science lưu ý rằng Roman "sẽ là một công cụ tuyệt vời để tìm ra các dòng sao mảnh mai" bên ngoài Ngân Hà lần đầu tiên .
• Euclid (ESA) — Khảo sát quang học và hồng ngoại rộng của nó sẽ lập bản đồ các đặc điểm thủy triều ngoài thiên hà trên các vùng trời rộng lớn, bổ sung cho các quan sát điểm sâu của Roman .
• Đài quan sát Vera C. Rubin (LSST) — Các mô phỏng cho thấy chỉ riêng LSST có thể quan sát 1.000 ngôi sao hoặc hơn trong 40–100 dòng sao cụm cầu bên ngoài Ngân Hà .

Các dự án do Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu tài trợ như BeyondSTREAMS và EXTRADARK đã và đang chuẩn bị các khuôn khổ lý thuyết cần thiết để giải thích nguồn dữ liệu dòng sao dồi dào sắp tới từ các cơ sở này .

Sự kết hợp giữa các đài quan sát thế hệ mới này sẽ biến một số ít các dòng sao ngoài thiên hà đã biết thành một mẫu thống kê lớn, cho phép thực hiện các phép đo chính xác về vật chất tối trên nhiều loại thiên hà và môi trường khác nhau .