Glitzernde Sternstränge rund um die Milchstraße könnten Antworten auf eine unserer größten Fragen zum Universum enthalten: Was ist dunkle Materie? Mit Bildern, die mit sechs verschiedenen Farbfiltern aufgenommen wurden, die an der größten Kamera montiert sind, die jemals für Astronomie und Astrophysik gebaut wurde, wird die kommende Legacy Survey of Space and Time des Vera C. Rubin Observatory nie zuvor gesehene Sternströme rund um die Milchstraße enthüllen – und die verräterischen Auswirkungen ihrer Wechselwirkungen mit dunkler Materie.
So faszinierend wie Flüsse, die im Sonnenlicht glitzern, zeichnen Sternströme funkelnde Bögen durch und um unsere Heimatgalaxie – die Milchstraße. Sternströme bestehen aus Sternen, die ursprünglich in Kugelsternhaufen oder Zwerggalaxien gebunden waren, aber durch Gravitationswechselwirkungen mit unserer Galaxie zerstört und in lange, nachlaufende Linien gezogen wurden.
Diese schmalen Sternspuren weisen häufig Anzeichen von Störungen auf, und Wissenschaftler vermuten, dass in vielen Fällen Dunkle Materie dafür verantwortlich ist. Das Vera C. Rubin Observatory wird bald eine Fülle von Daten liefern, um Sternströme, dunkle Materie und ihre komplexen Wechselwirkungen zu beleuchten.
Dunkle Materie macht 27 % des Universums aus, kann aber nicht direkt beobachtet werden, und Wissenschaftler wissen derzeit nicht genau, was es ist. Um mehr zu erfahren, verwenden sie verschiedene indirekte Methoden, um seine Natur zu untersuchen. Einige Methoden, wie der schwache Gravitationslinseneffekt, kartieren die Verteilung der Dunklen Materie im großen Maßstab im Universum. Die Beobachtung von Sternströmen ermöglicht es Wissenschaftlern, einen anderen Aspekt der Dunklen Materie zu untersuchen, da sie den Fingerabdruck der Gravitationseffekte der Dunklen Materie in kleinen Maßstäben zeigen.
Das Vera C. Rubin-Observatorium in Chile wird ab Ende 2025 mit einem 8,4-Meter-Teleskop, das mit der größten Digitalkamera der Welt ausgestattet ist, eine 10-jährige Untersuchung des gesamten Himmels der südlichen Hemisphäre durchführen. Die daraus resultierenden Daten mit Bildern Durch sechs verschiedene Farbfilter aufgenommen, wird es für Wissenschaftler einfacher denn je, Sternströme innerhalb und außerhalb der Milchstraße zu isolieren und sie auf Anzeichen einer Störung der Dunklen Materie zu untersuchen.
„Ich bin wirklich begeistert davon, Sternströme zu nutzen, um etwas über Dunkle Materie zu lernen“, sagte Nora Shipp, Postdoktorandin an der Carnegie Mellon University und Mitorganisatorin der Dark Matter Working Group in der Rubin Observatory/LSST Dark Energy Science Collaboration. „Mit dem Rubin-Observatorium werden wir in der Lage sein, Sternströme zu nutzen, um herauszufinden, wie dunkle Materie in unserer Galaxie verteilt ist, vom größten Maßstab bis hin zum sehr kleinen Maßstab.“
Das Rubin-Observatorium wird Ende 2025 seinen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen. Das Rubin-Observatorium ist ein Programm des NSF NOIRLab, das zusammen mit dem SLAC National Accelerator Laboratory Rubin gemeinsam betreiben wird.
Es gibt Hinweise darauf, dass die Milchstraße von einem kugelförmigen Halo aus dunkler Materie umgeben ist, der aus kleineren Klumpen dunkler Materie besteht. Diese Klumpen interagieren mit anderen Strukturen, stören deren Gravitationsdynamik und verändern ihr beobachtetes Erscheinungsbild. Im Fall von Sternströmen erscheinen die Ergebnisse der Wechselwirkungen der Dunklen Materie als Knicke oder Lücken in den Sternenspuren.
Die unglaublich detaillierten Bilder des Rubin-Observatoriums werden es Wissenschaftlern ermöglichen, sehr subtile Unregelmäßigkeiten in Sternströmen zu identifizieren und zu untersuchen und so auf die Eigenschaften der massearmen Klumpen dunkler Materie zu schließen, die sie verursacht haben – und sogar einzugrenzen, aus welchen Arten von Partikeln diese Klumpen bestehen .
„Durch die Beobachtung von Sternströmen werden wir in der Lage sein, indirekte Messungen der Dunkle-Materie-Klumpen der Milchstraße bis hin zu Massen zu machen, die geringer sind als je zuvor, was uns wirklich gute Beschränkungen für die Teilcheneigenschaften der Dunklen Materie liefert“, sagte Shipp.
Sternströme in den äußeren Regionen der Milchstraße sind besonders gute Kandidaten für die Beobachtung der Auswirkungen der Dunklen Materie, da sie weniger wahrscheinlich durch Wechselwirkungen mit anderen Teilen der Milchstraße beeinflusst wurden, die das Bild verwirren können. Das Rubin-Observatorium wird in der Lage sein, Sternströme in einer Entfernung zu erkennen, die etwa fünfmal weiter ist als wir derzeit sehen können, und es Wissenschaftlern ermöglichen, eine völlig neue Population von Sternströmen in den äußeren Regionen der Milchstraße zu entdecken und zu beobachten.
Es ist schwierig, Sternströme von den vielen anderen Sternen der Milchstraße zu unterscheiden. Um Sternströme zu isolieren, suchen Wissenschaftler nach Sternen mit spezifischen Eigenschaften, die darauf hindeuten, dass sie wahrscheinlich als Kugelsternhaufen oder Zwerggalaxien zusammengehören. Anschließend analysieren sie die Bewegung oder andere Eigenschaften dieser Sterne, um diejenigen zu identifizieren, die als Strom verbunden sind.
„Sternströme sind wie Perlenketten, deren Sterne den Weg der Umlaufbahn des Systems verfolgen und eine gemeinsame Geschichte haben“, sagte Jaclyn Jensen, Doktorandin. Kandidatin an der University of Victoria, die Rubin/LSST-Daten für ihre Forschung über die Vorläufer von Sternströmen und ihre Rolle bei der Entstehung der Milchstraße nutzen will.
„Anhand der Eigenschaften dieser Sterne können wir Informationen über ihre Herkunft und die Art von Wechselwirkungen ermitteln, die der Strom erlebt haben könnte. Wenn wir in der Nähe eine Perlenkette mit ein paar verstreuten Perlen finden, können wir daraus schließen, dass möglicherweise etwas vorbeigekommen ist und den Strom zerbrochen hat.“ Zeichenfolge.“
Die 3200-Megapixel-LSST-Kamera des Rubin-Observatoriums ist mit sechs Farbfiltern ausgestattet – darunter insbesondere für Sternstromforscher wie Shipp und Jensen ein Ultraviolettfilter. Rubins Ultraviolettfilter wird entscheidende Informationen über das blau-ultraviolette Ende des Lichtspektrums liefern, die es Wissenschaftlern ermöglichen werden, die subtilen Unterschiede zu unterscheiden und die Sterne in einem Strom von ähnlichen Sternen in der Milchstraße zu unterscheiden.
Insgesamt wird Rubin den Wissenschaftlern Tausende von Tiefenbildern liefern, die durch alle sechs Filter aufgenommen wurden, und ihnen so eine klarere Sicht auf Sternströme als je zuvor ermöglichen.
Die Datenlawine, die Rubin liefern wird, wird auch neue Werkzeuge und Methoden zur Isolierung von Sternströmen inspirieren. Wie Shipp anmerkt: „Im Moment ist es ein arbeitsintensiver Prozess, potenzielle Streams mit dem bloßen Auge herauszusuchen – Rubins große Datenmenge bietet eine spannende Gelegenheit, über neue, automatisiertere Methoden zur Identifizierung von Streams nachzudenken.“