האבל חושף את "הדבק הבלתי נראה" של היקום – תנועות כוכבים חושפות את סודות החומר האפל

אורך החיים של טלסקופ החלל האבל הוא נכס בקבלת בהירות לגבי הדבק הבלתי נראה של היקום.

כאשר תיאוריה ותצפיות מעדיפות תוצאות שונות, כיצד יכולים אסטרונומים לקבוע איזו מהן מתאימה יותר?

הגברת האמון בתיאוריה אחת על פני אחרת דורשת לעתים קרובות בניית מערך נתונים עשיר יותר כדי לשפר את המודלים הנוכחיים ולהפחית את אי הוודאות. צוות של מדענים עשה בדיוק את זה כדי לעזור להפיג את העכור של ויכוח ארוך שנים: בעיית ליבת הקצה. על ידי ניתוח נאס"אשל טלסקופ החלל האבל נתונים שנאספו במשך כמעט שני עשורים, אסטרונומים תיארו תנועות כוכבים בתוך גלקסיה וגילו את התקבצותו הסביר של החומר האפל במרכזה.

טלסקופ החלל האבל עוקב אחר חומר אפל בגלקסיה ננסית באמצעות תנועות כוכבים

התכונות וההתנהגות של החומר האפל, ה"דבק" הבלתי נראה של היקום, ממשיכים להיות אפופים מסתורין. למרות שגלקסיות עשויות בעיקר מחומר אפל, ההבנה כיצד הוא מופץ בתוך גלקסיה מציעה רמזים מהו החומר הזה, וכיצד הוא רלוונטי לאבולוציה של גלקסיה.

בעוד שהדמיות ממוחשבות מצביעות על כך שחומר אפל צריך להיערם במרכזה של גלקסיה, הנקרא סף צפיפות, תצפיות טלסקופיות רבות הצביעו על כך שהוא מפוזר באופן שווה יותר ברחבי הגלקסיה. הסיבה למתח הזה בין מודל לתצפית ממשיכה להפתיע את האסטרונומים, ומחזקת את המסתורין של החומר האפל.

מינוף טלסקופ האבל

צוות של אסטרונומים פנה לטלסקופ החלל האבל של נאס"א כדי לנסות ולהבהיר את הוויכוח הזה על ידי מדידת תנועות דינמיות של כוכבים בגלקסיית הננסית דראקו, מערכת הממוקמת במרחק של כ-250,000 שנות אור מכדור הארץ. באמצעות תצפיות שנפרשו על פני 18 שנים, הם הצליחו לבנות את ההבנה התלת מימדית המדויקת ביותר של תנועות הכוכבים בתוך הגלקסיה הזעירה. זה הצריך סריקה של כמעט שני עשורים של תצפיות ארכיון האבל בגלקסיית דראקו.

"המודלים שלנו נוטים להסכים יותר עם מבנה דמוי חוד, שמתיישר עם מודלים קוסמולוגיים", אמר אדוארדו ויטרל מה- המכון למדע טלסקופ החלל (STScI) בבולטימור והמחבר הראשי של המחקר. "למרות שאיננו יכולים לומר באופן סופי שכל הגלקסיות מכילות התפלגות חומר אפל דמוי-קודקוד, זה מרגש שיש נתונים כל כך מדודים היטב שעולים על כל מה שהיה לנו בעבר."

טכניקות מתקדמות לתנועת כוכבים

כדי ללמוד על חומר אפל בתוך גלקסיה, מדענים יכולים להסתכל על הכוכבים שלה ותנועותיהם שנשלטות על ידי המשיכה של החומר האפל. גישה נפוצה למדידת מהירות העצמים הנעים בחלל היא באמצעות אפקט דופלר – שינוי שנצפה באורך הגל של האור אם כוכב מתקרב או נסוג מכדור הארץ. למרות שמהירות קו הראייה הזו יכולה לספק תובנה בעלת ערך, רק כל כך הרבה ניתן ללקט ממקור המידע החד-ממדי הזה.

מלבד התקרבות או התרחקות מאיתנו, כוכבים נעים גם על פני השמים, נמדדת כתנועתם הנכונה. על ידי שילוב של מהירות קו ראייה עם תנועות נכונות, הצוות יצר ניתוח חסר תקדים של תנועות התלת מימד של הכוכבים.

"שיפורים בנתונים ושיפורים במודלים בדרך כלל הולכים יד ביד", הסביר רולנד ואן דר מרל מ-STScI, מחבר שותף של המאמר שיזם את המחקר לפני יותר מעשר שנים. "אם אין לך נתונים מאוד מתוחכמים או רק נתונים חד מימדיים, אז מודלים פשוטים יחסית יכולים להתאים לרוב. ככל שאתה אוסף יותר ממדים ומורכבות של נתונים, המודלים שלך צריכים להיות מורכבים יותר כדי ללכוד באמת את כל הדקויות של הנתונים."

מרתון מדעי (לא ספרינט)

מכיוון שידוע שגלקסיות ננסיות בעלות שיעור גבוה יותר של תכולת חומר אפל מאשר סוגים אחרים של גלקסיות, הצוות חידד את הגלקסיה הננסית דראקו, שהיא לוויין סמוך קטן יחסית וכדורי של שביל החלב גָלַקסִיָה.

"כאשר מודדים תנועות נכונות, אתה מבחין במיקום של כוכב בתקופה אחת ואז שנים רבות לאחר מכן מודד את מיקומו של אותו כוכב. אתה מודד את התזוזה כדי לקבוע כמה היא זזה", הסביר Sangmo Tony Sohn מ-STScI, מחבר נוסף של המאמר והחוקר הראשי של תוכנית התצפית האחרונה. "עבור סוג זה של תצפית, ככל שתחכה יותר, כך תוכל למדוד טוב יותר את הכוכבים הנעים."

הצוות ניתח סדרה של תקופות שנפרשו מ-2004 עד 2022, קו בסיס נרחב שרק האבל יכול להציע, בשל השילוב של הראייה החדה והיציבה שלו וזמן שיא בפעולה. ארכיון הנתונים העשיר של הטלסקופ עזר להפחית את רמת אי הוודאות במדידת תנועותיהם הנכונות של הכוכבים. הדיוק שווה למדידת תזוזה שנתית קצת פחות מהרוחב של כדור גולף כפי שנראה על הירח מכדור הארץ.

בעזרת שלושה מימדים של נתונים, הצוות הפחית את כמות ההנחות שיושמו במחקרים קודמים ושקול מאפיינים ספציפיים לגלקסיה – כמו סיבובה והתפלגות הכוכבים והחומר האפל שלה – במאמצי המודלים שלו.

השלכות ומחקר עתידי

ניתן ליישם את המתודולוגיות והמודלים שפותחו עבור הגלקסיה הננסית של דראקו על גלקסיות אחרות בעתיד. הצוות כבר מנתח את תצפיות האבל בגלקסיית הגמד פסל וגלקסיית הגמדים אורסה מינור.

חקר החומר האפל דורש התבוננות בסביבות גלקטיות שונות, וכרוך גם בשיתוף פעולה בין משימות שונות של טלסקופ חלל. לדוגמה, טלסקופ החלל הרומאי ננסי גרייס של נאס"א הקרוב יעזור לחשוף פרטים חדשים של תכונות החומר האפל בקרב גלקסיות שונות הודות ליכולתו לסקור שטחים גדולים של השמים.

"מחקר מסוג זה הוא השקעה לטווח ארוך ודורש הרבה סבלנות", שיקף ויטרל. "אנחנו מסוגלים לעשות את המדע הזה בגלל כל התכנון שנעשה לאורך השנים כדי לאסוף את הנתונים האלה בפועל. התובנות שאספנו הן תוצאה של קבוצה גדולה יותר של חוקרים שעבדה על הדברים האלה שנים רבות".

תוצאות אלו פורסמו ב-11 ביולי ב ה כתב עת אסטרופיזי.

טלסקופ החלל האבל (HST) הוא מצפה כוכבים סובב פורץ דרך ששוגר בשנת 1990 על ידי נאס"א בשיתוף עם סוכנות החלל האירופית. ממוקם מחוץ לעיוות של האטמוספירה של כדור הארץ, האבל מספק תצוגות ברורות ועמוקות במיוחד של היקום, החל ממערכת השמש שלנו ועד לגלקסיות הרחוקות ביותר ולתופעות הקוסמיות החמקמקות ביניהן. במהלך עשרות השנים, האבל מילא תפקיד קריטי ברבות מהתגליות המשמעותיות ביותר באסטרונומיה, כולל קצב ההתפשטות של היקום, נוכחותם של חורים שחורים במרכזי הגלקסיות וההרכב האטמוספרי של כוכבי לכת אקזו-כוכבים. חבילת המכשירים המתקדמים והשדרוגים המתמשכים מאפשרים לאסטרונומים ברחבי העולם לבצע תצפיות ברזולוציה גבוהה שטלסקופים קרקעיים לא יכלו להתאים בקלות, מה שהופך אותו לאחד הכלים היקרים ביותר בחקר הקוסמוס.