Vintergalaxen. Bildkredit: Serge Brunier. Klicka för att förstora
Det mest framträdande av Vintergatens satellitgalaxer - ett par galaxer som kallas Magellanic Clouds - verkar samverka med Vintergatens spöklika mörka materie för att skapa ett mystiskt varp på den galaktiska skivan som har förundrat astronomer i ett halvt sekel.
Varpen, som ses tydligast i den tunna skivan med vätgas som tränger igenom galaxen, sträcker sig över hela 200 000-årets ljusdiameter på Vintergatan, med solen och jorden som sitter någonstans nära vecket. Leo Blitz, professor i astronomi vid University of California, Berkeley, och hans kollegor, Evan Levine och Carl Heiles, har kartlagt detta varp och analyserat det i detalj för första gången, baserat på en ny galaktisk karta över vätgas (HI) utsläpp.
De fann att atomgasskiktet vibrerar som en trumma och att vibrationen nästan helt består av tre toner eller lägen.
Astronomer avfärdade tidigare de magelliska molnen - bestående av de stora och små magellanska molnen - som en sannolik orsak till det galaktiska varpet eftersom galaxernas kombinerade massor endast är 2 procent av disken. Denna massa ansågs för liten för att påverka en massiv skiva motsvarande cirka 200 miljarder solar under molnens 1,5 miljarder åriga bana om galaxen.
Trots detta har teoretiker Martin D. Weinberg, professor i astronomi vid University of Massachusetts, Amherst, samarbetat med Blitz för att skapa en datormodell som tar hänsyn till mjölkvägens mörka materia, som, även om osynlig, är 20 gånger massivare än allt synligt ämne i galaxen tillsammans. Molnens rörelse genom den mörka materien skapar ett vakande som förbättrar deras gravitationspåverkan på disken. När denna mörka materia ingår reproducerar de magellanska molnen i deras bana runt Vintergatan mycket nära varp som observeras i galaxen.
"Modellen producerar inte bara detta varp i Vintergatan, utan under rotationscykeln för de magelliska molnen runt galaxen ser det ut som att Vintergatan vifter i vinden", säger Blitz, chef för UC Berkeleys Radio Astronomy Laboratory.
"Människor har försökt titta på vad som skapar detta varp under mycket lång tid," sade Weinberg. "Vår simulering passar fortfarande inte perfekt, men den har mycket karaktären av de faktiska uppgifterna."
Levine, en forskarstuderande, kommer att presentera resultaten av arbetet i Washington, D.C., den 9 januari under ett kl. 10.00 om galaktisk struktur vid American Astronomical Society-mötet. Blitz kommer att sammanfatta arbetet senare samma dag under 12:30. pressmöte i Wilson C-rummet på Marriott Wardman Park Hotel.
Samspelet mellan de magelliska molnen med den mörka materien i galaxen för att producera ett gåtfullt varp i vätgasgasskiktet påminner om den paradox som ledde till upptäckten av mörk materia för cirka 35 år sedan. När astronomer byggde bättre och bättre teleskop som kunde mäta hastigheterna för stjärnor och gas i de yttre regionerna av vår galax, upptäckte de dessa stjärnor som rör sig mycket snabbare än vad som kunde förväntas från det observerade antalet och massan av stjärnor i hela Vintergatan. Endast genom att åberopa en då-kätters uppfattning, att 80 procent av galaxens massa var för mörk att se, kunde astronomer förena hastigheterna med kända fysiska teorier.
Även om ingen vet den mörka materiens sanna identitet - den nuvarande konsensus är att det är exotiska ämnen snarare än normala stjärnor för svaga för att se - astronomer tar nu hänsyn till det i sina simuleringar av kosmisk dynamik, om de ska förklara linseffekten galaxer och galaxkluster har på ljuset från bakgrundsgalaxer, eller för att beskriva utvecklingen av galaxkluster i det tidiga universum.
Vissa fysiker har emellertid tagit fram en alternativ tyngdkraftteori som kallas modifierad Newtonian Dynamics, eller MOND, som försöker förklara dessa iakttagelser utan att ta tilltro till en stor mängd oupptäckt massa i universum, som en osynlig elefant i rummet. Även om MOND kan förklara vissa saker, tror Weinberg att teorin kommer att ha svårt att förklara Vintergatan varp.
"Utan en mörk halo är det enda gasskivan kan känna direkt tyngdkraften från själva de magelliska molnen, som visades på 1970-talet att inte fungera," sade han. "Det ser dåligt ut för MOND, i det här fallet."
Eftersom många galaxer har varpade skivor kan liknande dynamik också förklara dem. I vilket fall som helst säger forskarna att deras arbete tyder på att varp ger ett sätt att verifiera förekomsten av den mörka materien.
Utgångspunkten för denna forskning var nya spektraldata som släpptes den senaste sommaren om vätgasutsläpp på 21 centimeter i Vintergatan. Undersökningen Leiden-Argentina-Bonn eller LAB Survey of Galactic HI slog samman en nordlig himmelundersökning genomförd av astronomer i Nederländerna (Leiden / Dwingeloo-undersökningen) med en undersökning på södra himlen från Instituto Argentino de Radioastronom? A. Uppgifterna korrigerades av forskare vid Institutet för radioastronomi vid universitetet i Bonn, Tyskland.
Blitz, Levine och Heiles, UC Berkeley professor i astronomi, tog dessa data och producerade en ny, detaljerad karta över det neutrala atomväte i galaxen. Detta väte, som distribueras i ett plan med dimensioner som en kompakt skiva, kondenserar så småningom till molekylära moln som blir stjärna plantskolor.
Med kartan i hand kunde de matematiskt beskriva varpen som en kombination av tre olika typer av vibrationer: en flappning av skivans kant upp och ner, en sinusformad vibration som den sett på en trumhår och en sadelformad svängning. Dessa tre "anteckningar" är cirka 3 miljoner oktaver under mitten av C.
"Vi hittade något mycket förvånande, att vi kunde beskriva varpen med tre vibrationslägen, eller tre toner, och bara tre," sade Blitz och noterade att denna ganska enkla matematiska beskrivning av varpen hade undkommit astronomernas uppmärksamhet sedan varpen upptäckten 1957.
"Vi försökte faktiskt analysera en mer komplex 'scalloping' struktur på disken, och denna enkla, eleganta vibrationsstruktur dök precis ut," tillade Levine.
Den nuvarande varpen i gasskivan är en kombination av dessa tre vibrationslägen, vilket gör att hälften av den galaktiska skivan sticker upp ovanför planet med stjärnor och gas, medan den andra halvan sjunker under skivan innan han stiger uppåt längre utåt från mitt i galaxen. Resultaten av denna analys kommer att publiceras i ett kommande nummer av Astrophysical Journal.
Weinberg trodde att han kunde förklara det observerade varpet dynamiskt och använde datorer för att beräkna effekten av de magelliska molnen som kretsar om Vintergatan och plogade genom den mörka materiehalo som sträcker sig långt ut i molnens omloppsbana.
Vad han och Blitz fann är att molnen vaknar genom den mörka materien väcker en vibration eller resonans i mitten av mörkerämnets halo, vilket i sin tur gör att skivan inbäddad i halo svänger starkt i tre olika lägen. Den kombinerade rörelsen under en 1,5-miljard-årig omloppsbana av de magelliska molnen påminner om kanterna på en duk som fälls i vinden, eftersom skivans mitt är fastnat.
"Vi anser ofta att varpen är statisk, men denna simulering visar att den är väldigt dynamisk," sade Blitz.
Blitz, Levine och Heiles fortsätter sin sökning efter avvikelser i strukturen på Vintergatan. Weinberg hoppas kunna använda UC Berkeley-gruppens uppgifter och analys för att bestämma formen på mjölkvägens mörka materie.
Forskningen från UC Berkeley-gruppen stöds av National Science Foundation. Weinberg stöds delvis av NASA och NSF.
Originalkälla: UC Berkeley News Release
