Галактика, бросившая вызов темной материи

И потерпевшая поражение

Существует темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться, и темная материя, удерживающая вместе массивные сгустки и звездные скопления. Во всех известных галактиках темной материи примерно в пять раз больше, чем обычной. Однако есть галактика, в которой почти целиком отсутствует темная материя. Что это: галактика бросает вызов темной материи, или здесь происходит нечто более сложное?

Эта большая нечеткая галактика настолько рассеянна, что астрономы называют ее «прозрачной» галактикой, потому что они могут ясно видеть далекие галактики позади нее. Призрачный объект, занесенный в каталог как NGC 1052-DF2, не имеет заметной центральной области или даже спиральных рукавов и диска, типичных особенностей спиральной галактики. Но это не похоже на эллиптическую галактику. Даже её шаровые скопления являются странными: они в два раза больше типичных звездных группировок, наблюдаемых в других галактиках. Все эти странности бледнеют по сравнению с самым странным аспектом этой галактики: NGC 1052-DF2 очень противоречив из-за очевидного отсутствия темной материи. НАСА, ЕКА И П. ВАН ДОККУМ (ЙЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Этан СИГЕЛ (Ethan Siegel)

Наша Вселенная не такая, как мы. Мы состоим из атомов и прочих форм обычной материи, в то время как по данным космических наблюдений, большая часть Вселенной состоит из материи темной. Существует темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться, и темная материя, удерживающая вместе массивные сгустки и звездные скопления. Во всех известных галактиках темной материи примерно в пять раз больше, чем обычной, что приводит к наблюдаемым нами гравитационным эффектам.

Но есть и исключения. В этом году астрономы открыли одну из самых загадочных галактик, которая имеет обозначение NGC 1052-DF2. Она рассеянная, размером с Млечный Путь, но у нее звезд в сто с лишним раз меньше, чем у нас. Первые наблюдения показали, что в ней почти целиком отсутствует темная материя (а может, и не почти). Что это: галактика бросает вызов темной материи, или здесь происходит нечто более сложное? 2018 год близится к завершению, и вот что нам удалось узнать на сегодня.

Космическая сеть темной материи и крупномасштабная структура, которую она формирует. Нормальное вещество присутствует, но составляет только 1/6 от всего вещества. Остальные 5/6 - это темная материя, и никакое количество нормальной материи не избавится от этого. Мелкомасштабные эффекты часто могут изгнать нормальную материю из галактик малой массы, но ожидается, что более крупные галактики будут по-прежнему содержать темную материю внутри независимо от того, что делают звезды. MILLENIUM SIMULATION, V. SPRINGEL ET AL.

Когда Вселенная появилась в известном нам виде, она была раскаленной, плотной, почти идеально однородной. Она расширялась и была наполнена материей и радиацией. По мере расширения она охлаждалась, и в силу этого радиация теряла энергию. Когда во Вселенной начала доминировать материя, сила притяжения начала притягивать дополнительную массу в сверхплотные участки. Это привело к формированию газовых скоплений, звезд, звездных скоплений, а со временем и галактик.

Вселенная начала расти именно таким образом: сначала самыми малыми темпами и в малых масштабах. Во Вселенной, где средняя плотность повсюду одинакова, меньший линейный масштаб означает меньшую массу. Когда формируются новые звезды в малом масштабе, ветер, радиация и появляющиеся в результате этого сверхновые могут выбрасывать изнутри большое количество обычной материи. В итоге во многих наблюдаемых нами сегодня галактиках малых масштабов разное соотношение темной и обычной материи, а не стандартное пять к одному.

Теоретически, большая часть темной материи в галактике существует в огромном гало, поглощающем нас, или, альтернативно, закон гравитации отличается в больших масштабах. Галактика без темной материи является неожиданной для галактик с большой массой, если не происходит крупного события, связанного с удалением массы. Без вероятного сценария для NGC 1052-DF2 мы ожидаем, что внутри будет какая-то темная материя. ESO / L. CALÇADA

Но в более крупном масштабе, когда галактики увеличиваются и становятся сравнимыми по размерам с Млечным Путем, такое соотношение пять к одному становится практически повсеместным. Даже самые крупные волны формирования звезд не могут выбрасывать значительное количество материи из галактики. Обычную материю может вытянуть из ее родной галактики только быстрое перемещение через галактические скопления. А те галактики, которые находятся за пределами таких скоплений, могут быть спокойны.

Вот почему NGC 1052-DF2 стала большой неожиданностью. Обладая такими же физическими размерами, как и Млечный Путь, она не имеет тех характеристик, которые мы находим в нашей галактике. Это не спираль, у нее нет диска, нет центрального утолщения, а количество звезд в ней составляет всего половину процента от числа звезд в нашей галактике. Это также не эллиптическая галактика, поэтому от нашей она отличается не только по типу. Но все это ерунда по сравнению с теми странностями, которые мы находим внутри нее.

Карта ближайших шаровых скоплений к центру Млечного Пути. Шаровые скопления, расположенные ближе всего к галактическому центру, имеют более высокое содержание металлов, чем на окраинах, в то время как относительные движения скоплений относительно друг друга сообщают нам о массовом содержании и распределении нашей домашней галактики. УИЛЬЯМ Э. ХАРРИС / МАКМАСТЕР У. И ЛАРРИ МАКНИШ / RASC КАЛГАРИ

В нашем родном Млечном Пути более 100 шаровых звездных скоплений, которые в виде ореола рассеяны по всей нашей галактике. Эти объекты в основном представляют собой кластеры из сотен тысяч и даже миллионов звезд, которые сосредоточены в сферической области в радиусе всего нескольких десятков световых лет. В большинстве случаев они сформировали звезды все сразу многие миллиарды лет тому назад, и их звезды перемещаются внутри в полном соответствии с законами гравитации. А в нашем Млечном Пути эти шаровые скопления перемешаются друг относительно друга со скоростью в сотни километров в секунду. Это вполне соответствует тому факту, что Млечный Путь имеет крупное и массивное кольцо темной материи.

Но с NGC 1052-DF2 совсем другая история. У этой галактики есть в общем обычные шаровые скопления. Эти шаровые скопления немного крупнее наших, но в этом нет ничего удивительного. Удивительное в другом. У них у всех примерно одинаковые скорости.

Гигантская эллиптическая галактика NGC 1052 (слева) доминирует над скоплением, частью которого она является, хотя присутствует много других крупных галактик. Рядом небольшая, едва видимая ультрадиффузная галактика, известная как NGC 1052-DF2 (или, кратко, просто DF2), кажется, состоит только из обычной материи. АДАМ БЛОК / МАУНТ-ЛЕММОН SKYCENTER / УНИВЕРСИТЕТ АРИЗОНЫ

Такое наблюдение кажется весьма и весьма сомнительным. В любой галактике должна существовать взаимосвязь между тем, насколько быстро объекты движутся внутри, и какова общая гравитационная масса их состава. Эта взаимосвязь проявляется по-разному, в зависимости от того, как на нее посмотреть. Но наверное, проще всего оперировать понятиями энергии. Между потенциальной и кинетической энергией существует равновесие.

Когда в галактике такая куча объектов, на которые воздействует одинаковая общая масса, можно ожидать, что часть этих объектов будет к нам приближаться, а часть удаляться. Можно ожидать, что чем больше общая масса, тем больше разница в скорости между самыми быстрыми приближающимися и удаляющимися объектами. Астрономы иногда называют это дисперсией скорости, которая является распределением того, насколько быстро различные объекты перемещаются друг относительно друга.

В Млечном Пути дисперсия скорости велика между шаровыми скоплениями, составляя в среднем ±200-300 км/сек, что аналогично скорости Солнца вокруг центра галактики. Однако в NGC 1052-DF2 перемещения шаровых скоплений настолько незначительны, что кажется, будто там очень мало массы и практически нет места для темной материи.

Возможно, что в измерения вкралась ошибка, но это вряд ли. Также возможно, что внутри таких галактик практически нет темной материи, однако такой сценарий противоречит теоретическим предположениям. Но прежде чем мы начнем говорить об ошибочности измерений и наших теорий, важно исключить наиболее вероятную возможность в такого рода случаях: что измерения правильные, и что темная материя там есть.

Будь это так, нам понадобился бы независимый метод измерения темной материи.

Клочковатое гало темной материи с различной плотностью и очень большой диффузной структурой, как и предсказывалось в результате моделирования, при этом светящаяся часть галактики показана в масштабе. Поскольку темная материя повсюду, она должна влиять на движение всего вокруг нее. Отдельные шаровые скопления, если мы измеряем только небольшое их количество, могут иметь отклонения в своих свойствах, что не должно наблюдаться при исследовании всего внутреннего звездного света галактики. НАСА, ЕКА, Т. БРАУН И ДЖ. ТУМЛИНСОН (STSCI)

Есть очевидный способ показать, что измерения правильные, а галактика все равно содержит темную материю: если бы наблюдаемые нами движущиеся шаровые скопления не указывали на то, как в действительности движется материя в галактике. Из глубины Млечного Пути мы можем наблюдать, что шаровые скопления распределены в нем равномерно. Но если мы обнаруживаем шаровые скопления только на самых дальних точках их орбиты от центра NGC 1052-DF2, значит, они склоняются в сторону искусственно низких дисперсий скоростей.

Непонятно, почему это так, но находящаяся на удалении 65 миллионов световых лет NGC 1052-DF2 неудобна для наблюдения. Это как раз тот рубеж, дальше которого «Хаббл» не видит отдельные звезды. А поскольку это чрезвычайно рассеянная галактика, проводить измерения там еще труднее. Но если собрать большое количество спектральных измерений по всей галактике, а потом сложить их, то можно измерить дисперсию скорости звезд внутри галактики.

Расширенная кривая вращения M33, галактика Триангуля. Эти кривые вращения спиральных галактик привели современную астрофизическую концепцию темной материи к общему полю. Пунктирная кривая будет соответствовать галактике без темной материи, которая составляет менее 1% галактик. В то время как начальные наблюдения дисперсии скорости через шаровые скопления показали, что NGC 1052-DF2 был одним из них, более новые наблюдения ставят этот вывод под сомнение. ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ WIKIMEDIA COMMONS STEFANIA.DELUCA

Это более прямое измерение галактической массы по сравнению с измерениями шаровых скоплений. Определяя, как все звезды движутся внутри, мы получаем более полное представление о том, как звезды внутри перемещаются относительно галактики в целом.

Вместо нескольких точечных измерений, которые мы используем для получения внутренней массы, у нас в распоряжении есть большой набор более последовательных данных. Шаровые скопления показывают очень мало относительных перемещений, свидетельствуя о том, что массы там мало, а темной материи почти нет. Но здесь присутствует большое допущение. Мы исходим из того, что измерения по нескольким шаровым скоплениям характеризуют перемещения звезд внутри.

Когда ученые провели эти измерения, они выяснили, что звезды внутри все-таки перемещаются друг относительно друга.

Измеряя звездный свет в галактике NGC 1052-DF2 спектроскопически и определяя, как различные области со звездами движутся внутри относительно общего движения галактики, можно было измерить дисперсию скорости около 16 км / с для звезд в этой галактике. E. EMSELLEM ET AL., ПРЕДСТАВЛЕН A & A (2018), ARXIV: 1812.07345

Это первые результаты спектрального анализа звезд внутри сверхрассеянной галактики, но они показывают, что дисперсия скоростей там все-таки существует. Она составляет лишь малую долю от дисперсии скоростей Млечного Пути, поскольку скорость там равна ±16 км/сек, но это вполне нормально для сверхрассеянной галактики. Более точные расчеты массы по звездам внутри галактики, а не на основе нескольких шаровых скоплений, указывают на то, что там внутри все-таки должно находиться значительное количество темной материи.

Даже когда дисперсия скорости звезд мала, составляя ±16 км/сек, этого достаточно, чтобы поставить под сомнение предыдущие результаты, указывающие на отсутствие темной материи. Кроме того, группа ученых, проводившая эти измерения, также провела измерения двух дополнительных звездных скоплений и улучшила результаты пяти других измерений, и у нее получилось, что внутренняя дисперсия скорости по 12 этим скоплениям составляет в целом ±10,5 км/сек.

Будет справедливо сказать, что галактики существуют всевозможные — по форме, размерам, плотности и массе. Несмотря на то, что нам известно, мы все еще находимся в процессе познания того, как они формируются, развиваются и растут во Вселенной. Но всякий раз, когда у нас появляется удивительное наблюдение, прежде всего надо проверить, найдет ли оно подтверждение, если сделать такое же наблюдение при помощи иного метода.

Новые наблюдения не доказывают существование темной материи, однако они устраняют основную причину для сомнений в этом. У нас теперь не отдельный объект, не имеющий космического объяснения, а объект, который соответствует наблюдениям за многими другими аналогичными объектами того же класса. NGC 1052-DF2 это интересный объект, заслуживающий дальнейшего изучения, но у него вряд ли полностью отсутствует темная материя. Наблюдения это всегда лучший ориентир, однако этот результат подчеркивает, насколько важно независимым путем проверять проделанную работу, прежде чем делать грандиозные и революционные выводы.

Автору статьи — астрофизику и писателю Этану Сигелю принадлежит замысел книги «Начинается с удара!», и он её основной автор. Его книги «Treknology» и « Beyond The Galaxy» доступны везде, где продаются книги.

Оригинал публикации.

Buy for 10 tokens
Buy promo for minimal price.

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic

Your reply will be screened