Ketika sebuah galaksi kecil terlantar terlalu dekat dengan Bimasakti, gravitasi dari galaksi kita yang lebih besar menariknya. Gas dan bintang-bintang robek dari galaksi yang lewat saat jatuh ke dalam menuju malapetaka, menciptakan aliran material yang membentang di antara pasangan galaksi. Aliran-aliran ini terus merobek bintang-bintang sampai objek yang jatuh telah sepenuhnya dikonsumsi. Setelah penggabungan selesai, beberapa tanda yang tersisa dari objek yang dimakan adalah aliran bintang yang mengular di Bima Sakti, sampel kecil bintang dari galaksi yang sudah lama hilang.
Selain sebagai catatan masa lalu, salah satu aliran ini dapat memberikan bukti langsung pertama untuk kelompok kecil materi gelap - materi yang sulit dipahami yang diyakini bertanggung jawab atas 85 persen dari semua materi di alam semesta. Sebuah analisis terbaru dari jejak bintang mengungkapkan bahwa ia berinteraksi dengan benda padat dalam beberapa ratus juta tahun terakhir. Setelah mengesampingkan tersangka yang paling mungkin, para peneliti menentukan bahwa kesenjangan yang relatif baru dibuat dalam aliran mungkin disebabkan oleh sekelompok kecil materi gelap. Jika dikonfirmasi, pusaran arus bintang ini dapat membantu para ilmuwan memilah-milah teori-teori yang bersaing tentang materi gelap dan bahkan mungkin mendekati karakteristik material misterius.
Aliran bintang yang dikenal sebagai GD-1 adalah aliran tipis material yang terselip di dalam halo Galactic, kumpulan bintang dan gas yang longgar di sekitar cakram Bimasakti. Menggunakan data yang dirilis April lalu dari teleskop ruang angkasa Gaia Badan Antariksa Eropa, yang sedang dalam proses menyusun peta paling detail dari bintang-bintang Bimasakti yang pernah dibuat, para astronom dapat menggunakan data posisi yang tepat untuk merekonstruksi pergerakan bintang-bintang di GD -1. Terurai dari awan material, aliran itu adalah sisa terakhir dari sebuah objek yang kemungkinan besar dikonsumsi oleh galaksi kita dalam 300 juta tahun terakhir — sebuah ikatan mata pada rentang waktu astronomi.
Render karya seorang pengamat ruang Gaia milik ESA, sebuah teleskop astrometri yang dirancang untuk mengukur posisi dan pergerakan bintang. (ESA / NASA) Gaia menemukan dua celah kecil di sungai itu, pengamatan pertama yang jelas tentang celah di aliran bintang, serta kumpulan bintang yang padat yang disebut taji. Bersama-sama, fitur-fitur ini menunjukkan bahwa objek kecil tapi masif mengguncang materi aliran.
"Saya pikir ini adalah bukti dinamis langsung pertama untuk skala kecil [struktur] materi gelap, " kata Adrian Price-Whelan, seorang astronom di Flatiron Institute di New York. Bekerja dengan Ana Bonaca dari Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, Price-Whelan menyelidiki struktur yang baru ditemukan di GD-1 untuk menentukan sumbernya dan mempresentasikan hasilnya awal tahun ini pada pertemuan musim dingin American Astronomical Society.
**********
Pada sekitar 33.000 tahun cahaya (10 kiloparsec), GD-1 adalah aliran bintang terpanjang di halo galaksi. Sementara Price-Whelan dan rekan-rekannya dapat menggunakan model untuk menunjukkan bahwa salah satu celah terbentuk selama generasi sungai, celah lainnya tetap menjadi misteri. Namun, seiring dengan teka-teki itu, Gaia juga mengungkapkan solusi: memacu.
Ketika suatu benda bergerak melewati atau melalui aliran bintang, ia mengganggu bintang-bintang. Price-Whelan membandingkan gangguan dengan semburan udara yang kuat yang bertiup melintasi aliran air. Air — atau bintang — memancar keluar di sepanjang jalan pengganggu, menciptakan celah. Beberapa bergerak sangat cepat sehingga mereka lepas dari arus dan terbang ke luar angkasa, hilang selamanya. Yang lain ditarik kembali ke sungai untuk membentuk fitur eddy-like yang oleh astronom disebut taji. Setelah beberapa ratus juta tahun, sebagian besar taji bergabung kembali ke sungai, dan hanya ada celah yang tersisa, meskipun beberapa dapat berumur panjang.
Ketika datang untuk melihat struktur di aliran bintang, Price-Whelan menyebut GD-1 "aliran Goldilocks" karena berada di tempat yang tepat. GD-1 berada dalam bintang-bintang di Bima Sakti, tetapi bergerak ke arah yang berlawanan, sehingga memudahkan para astronom untuk memilih bintang-bintang di aliran dari benda-benda di sekitarnya. "Di lokasi mana pun, itu bergerak secara berbeda dari cara sebagian besar bintang lain di bagian langit itu bergerak, " kata Price-Whelan.
Para peneliti memodelkan jenis objek apa yang bisa bertanggung jawab untuk memacu bayi yang baru lahir yang terlihat di GD-1. Mereka menentukan bahwa objek yang bertanggung jawab harus menimbang dengan massa di suatu tempat antara 1 juta dan 100 juta kali massa matahari. Panjangnya hanya sekitar 65 tahun cahaya (20 pc), objek itu akan sangat padat. Interaksi antara aliran dan benda padat kemungkinan akan terjadi dalam beberapa ratus juta tahun terakhir dari umur 13, 8 miliar tahun alam semesta.
Diagram galaksi kita, Bimasakti. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) Materi gelap bukan satu-satunya objek yang bisa mengganggu aliran bintang. Gugus globular atau galaksi kerdil yang menukik di dekatnya juga bisa menciptakan celah dan taji. Price-Whelan dan rekan-rekannya memalingkan pandangan mereka ke semua objek yang diketahui dan menghitung orbitnya, menemukan bahwa tidak ada yang mendekati GD-1 dalam miliar tahun terakhir untuk mengguncang segalanya. Sebuah pertemuan kebetulan dengan black hole primordial bisa membuat bintang-bintang aliran terbang, tetapi itu akan menjadi peristiwa yang sangat langka.
Menurut simulasi materi gelap yang memungkinkan untuk struktur kecil, sejumlah benih materi gelap tersebar melalui galaksi seperti Bima Sakti. Aliran seperti GD-1 diperkirakan akan menghadapi setidaknya satu benih seperti itu dalam 8 miliar tahun terakhir, membuat materi gelap jauh lebih mungkin perturber berdasarkan tingkat pertemuan dibandingkan objek lainnya.
**********
Materi gelap merupakan bagian terbesar dari massa di alam semesta, tetapi tidak pernah diamati secara langsung. Dua teori terkemuka untuk keberadaannya adalah model materi gelap hangat dan model materi gelap dingin Lambda (ΛCDM), yang merupakan model yang disukai oleh sebagian besar ilmuwan. Di bawah ΛCDM, materi gelap membentuk gumpalan yang bisa sebesar galaksi atau sekecil kaleng soda. Model materi gelap hangat menunjukkan bahwa material tersebut memiliki partikel masif yang lebih sedikit dan tidak memiliki struktur berukuran seperti yang disarankan oleh model ΛCDM. Menemukan bukti untuk skala kecil struktur materi gelap dapat membantu menyingkirkan model-model tertentu dan mulai mempersempit beberapa karakteristik barang yang menggiurkan.
"Streaming mungkin satu-satunya jalan yang bisa kita [gunakan] untuk mempelajari ujung massa terendah dari apa yang dilakukan materi gelap, " kata Price-Whelan. "Jika kita ingin dapat mengkonfirmasi atau menolak atau mengesampingkan teori-teori materi gelap yang berbeda, kita benar-benar perlu tahu apa yang terjadi di ujung bawah."
Data Gaia membantu mengidentifikasi bintang-bintang taji, tetapi itu tidak cukup rinci untuk membandingkan perbedaan kecepatan antara mereka dan bintang-bintang di sungai, yang dapat membantu mengkonfirmasi bahwa materi gelap mengganggu struktur. Price-Whelan dan rekan-rekannya ingin menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble NASA untuk mempelajari lebih lanjut pergerakan bintang redup di GD-1. Meskipun Gaia telah membuka pintu untuk pemeriksaan berskala luas dari pergerakan bintang di Bima Sakti, Price-Whelan mengatakan bahwa itu tidak dapat bersaing dengan HST ketika datang ke bintang yang sangat redup. "Anda dapat menggali lebih dalam ketika Anda memiliki teleskop khusus seperti Hubble, " katanya.
Perbedaan-perbedaan dalam bagaimana bintang-bintang dari arus dan gerakan memacu dapat membantu para astronom menentukan berapa banyak energi yang dibawa objek yang mengganggu, serta memungkinkan para peneliti untuk menghitung orbitnya. Potongan-potongan informasi ini dapat digunakan untuk melacak gumpalan materi gelap yang mengganggu dan mempelajari lingkungan terdekatnya.
Selain membuat studi yang lebih mendalam tentang GD-1, para astronom berencana untuk menerapkan teknik yang sama yang dimungkinkan oleh data Gaia ke beberapa dari lebih dari 40 aliran lain di sekitar Bima Sakti. Melihat taji dan celah di aliran lain dan mengikatnya ke materi gelap dapat lebih meningkatkan pemahaman kita tentang bagaimana zat misterius berinteraksi dengan galaksi yang terlihat.
Setelah puluhan tahun bingung tentang misteri materi gelap, kesenjangan dan taji dalam aliran bintang seperti GD-1 akhirnya dapat membantu mengungkap rahasia substansi yang membentuk sebagian besar alam semesta. "Ini adalah salah satu hal paling menarik yang telah keluar dari Gaia, " kata Price-Whelan.
