Неожиданное обнаружение массивной, размером с Млечный путь системы, состоящей по большей части из тёмной материи, меняет теории о формировании галактик
Автор: Джошуа Сокол
Среди более чем тысячи галактик в кластере Кома — массивном скоплении материи на расстоянии примерно в 300 миллионов световых лет — существует как минимум одна галактика, которой не должно быть.
Dragonfly 44 — тусклая галактика, с примерно одной звездой на каждую сотню нашего Млечного пути. Но она занимает примерно столько же места, сколько и Млечный путь. Кроме того, согласно данным, опубликованным в журнале Astrophysical Journal Letters в конце августа, Dragonfly сравним по массе с нашей галактикой. Эта странное сочетание: она такая тёмная, широкая, массивная, и некоторые астрономы считают, что она заставит нас пересмотреть наши теории формирования галактик или помогут нам понять свойства тёмной материи, таинственного материала который взаимодействует с обычной материей с помощью гравитации.
Открытие произошло почти случайно. Астрономы Питер ван Доккум из Йельского университета и Роберто Абрахам из Университета Торонто проверяли теорию о том как формируются галактики, занимаясь поиском структур, которые невидимы даже в сложные телескопы: слабых, тонких и протяжённых объектов на звёздном небе. Их команда создала Dragonfly Telephoto Array, группу модифицированных линз Canon, которая фокусирует свет на сенсорах коммерческих камер. Эта система была настроена на отсечение любого рассеянного света внутри звёздного скопления, который мог бы скрывать тусклый объект.
Вы несколько месяцев на борту корабля и внезапно кто-то кричит: Земля! А этой земли нет на карте.
План заключался в изучении слабых полос света соседних галактик. Но знаменитый кластер Кома — скопление гигантских структур, которое когда-то давно вдохновило астронома Фритца Цвикки представить гипотезу о существовании тёмной материи — привлекал внимание исследователей. «Вообще, мы просто не смогли устоять перед тем, чтобы не взглянуть на Кома» — говорит Абрахам — «вы можете считать, что это открытие стало следствием отсутствия дисциплины». Они планировали изучить внитрикластерный свет Комы — слабое свечение, обнаруживаемой между галактиками внутри скопления.
Вместо этого они обнаружили 47 постоянных слабых пятен, каждое диаметром с Млечный путь. Тем не менее, в соответствии с общепринятыми моделями формирования галактик, всё настолько большое не должно быть таким тусклым.
В теоретических моделях сгустки тёмной материи заполняют вселенную вместе со светом. Сначала облака тёмной материи сливаются в относительно плотные структуры. Затем газ и фрагменты других галактик сжимаются в центре под воздействием гравитации. Они растягиваются в диск и превращаются в светящиеся звёзды — то, что мы в конце-концов видим в телескопы. Весь этот процесс достаточно предсказуем для больших галактик, таких как наш Млечный путь. Имея данные по ореолу тёмной материи или по количеству звёзд вы можете установить другой фактор с точностью кратной двум.
Тёмная галактика Dragonfly 44. Шкала соответствует расстоянию 10 килопарсек или примерно 33000 световым годам (Pieter van Dokkum, Roberto Abraham, Gemini Observatory / AURA)
«Это не просто догма. Из этого правила нет известных нам исключений» — говорит Джереми Острайкер, астрофизик Колумбийского университета.
После того как Абрахам и ван Доккум поняли, что судя по всему наблюдают 47 исключений, они начали поиск в литературе. Они обнаружили, что похожие нечёткие сгустки были на грани открытия с 70х годов 20 века. Ван Доккум считает что переход астрономии с фотографических пластинок – которые, возможно, подходят лучше для фиксации расширенных, размытых объектов — к современными цифровым сенсорам, возможно, скрыл их от дальнейшего изучения.
Абрахам и ван Доккум впервые заметили эти пятна весной 2014го. С тех пор похожие «ультра-диффузные галактики» (ultra-diffuse galaxies — UDG) были обнаружены в других галактических скоплениях, таких как кластеры Девы и Форнакса. И в кластере Кома, согласно данным одного исследования, их может быть более тысячи, в том числе 332 почти таких же больших как и Млечный путь.
В то же время команда Dragonfly работает над версией, что эти тусклые галактики — исключения, противоречащие существующей теории, несостоявшиеся галактики. Тёмная материя создаёт зачатки спирального диска и звёзд, но почему-то светящаяся структура в них не развивается.
Эта версия нравится экспертам вроде Острайкера, который считает предыдущие записи ван Доккума заслуживающими большого доверия. «Есть множество других людей, которые могли бы открыть это, если бы были более скептически настроенными» — сказал Острайкер — «самый простой способ объяснить данную загадку – признать правильность подобной версии».
Однако не все с этой версией согласны. Хотя UDG могут быть большими, они необязательно массивны. Одна из идей заключается в том, что эти UDG могут быть легковесными галактиками, которые выглядят распухшими потому что находятся в процессе гравитационных приливов и отливов кластера Кома.
Мишель Коллинс, астроном Университета Суррея, утверждает, что «единственное место, в котором мы видим экстремальные вещи — группа галактик вокруг местного скопления». Учёный ссылается на опыт наблюдения за тусклыми, «карликовыми галактиками», которые часто можно увидеть на орбите больших, таких как Млечный путь — «это просто структуры, которые разрываются на части». Это значит что большинство UDG — просто крупные карликовые галактики в процессе разрыва.
Другая идея заключается в том, что галактики могут «дышать». В конце 2015 года Карим Эль-Бадри, который тогда был студентом Йельского университета, предположил, что галактики могут расширяться и уменьшаться. В ходе этого процесса газ сначала попадает в галактику, формируя массивные звёзды – «вдох». Такие звёзды быстро заканчивают свои жизни в виде взрывов суперновых, которые разбрасывают газ за пределы галактики – «выдо»х. Затем газ охлаждается, и гравитация притягивает его назад к центру. В одиноко расположенной галактике этот ритм может продолжаться бесконечно. Но в суровых условиях скопления Кома, где горячий газ заполняет пространство между структурами, газ после «выдоха» может оставить целую галактику в раздутом состоянии.
Тёмный близнец «Млечного Пути» Ультрадиффузная галактика Dragonfly 44 обладает почти такой же массой что и «Млечный путь», но её масса почти полностью состоит из тёмной материи (все цифры приблизительны). Млечный путь — 1 триллион масс солнца. Dragonfly 44 — 1 триллион масс солнца Млечный путь — 90 процентов массы составляет тёмная материя Dragonfly 44 — 99.9 процентов массы составляет тёмная материя Млечный Путь — от 100 до 400 миллиардов звёзд Dragonfly 44 — от 1 до 4 миллиардов звёзд
Ещё одна версия, предложенная в марте 2016 в Гарвардском Университете астрофизиками Николой Амориско и Ави Лёбом, заключается в том, что UDG — это обычные галактики, которые быстро вращаются. «В нашем сценарии это очень естественно» — говорит Лёб.
Эта идея дополняет стандартную теорию формирования галактик, согласно которой газ заполняет ореол темной материи, чтобы создать галактику. По мере того как материала становится меньше, галактика начинает вращаться. Величина вращения определяется размером конечной галактики. В отсутствии достаточного вращения гравитация стягивает галактику в более компактную форму. Но структуры с большим потенциалом вращения могут раскрутить себя в большой, лёгкий диск.
Согласно этой модели, UDG — естественные примеры очень быстрых волчков. В этом случае вытянутые диски будут недостаточно плотны, чтобы сформировать столь же много звёзд, что и более медленный ротатор вроде Млечного пути, и в этом заключается объяснение почему они выглядят так тускло.
Эти идеи, по мнению Абрахама, могут объяснить появление некоторых UDG. «Вполне вероятно здесь имеет место совокупность причин» сказал он. Но согласно последним данным его команды, полученным в результате 33.5 часов наблюдений 10-метровым телескопом Keck II на Гавайях, нет никаких свидетельств того, что галактика Dragonfly 44 вращается. В дополнение к этому они указывают, что общая масса галактики — около триллиона массы солнц — достаточно велика, чтобы структура не разрывалась как карликовая галактика, и является более тяжелой, чем периодически надувающиеся галактики.
Многие из свойств, которыми должна обладать тёмная материя… эти галактики не демонстрируют
Данное значение массы — реальный камень преткновения, говорит Филипп Хопкинс, астрофизик института Технологии Калифорнии, который готовит несколько статей об UDG. Оно происходит от двух различных наблюдений частей Dragonfly 44. Во-первых, движения звёзд во внутренних областях галактики свидетельствуют, что это тяжёлая зона, наполненная тёмной материей. Во-вторых, окраины галактики являются домом для целого ряда шаровых скоплений — непроницаемых, древних скоплений звёзд. Также, как и количество звёзд в галактике обычно связано с количеством тёмной материи, наблюдения показывают, что чем больше в галактике шаровых скоплений звёзд, тем больше масса ореола тёмной материи. Dragonfly 44 по этому показателю соответствует Млечному пути. Другие UDG также, судя по всему, имеют множество шаровых скоплений.
Поэтому даже если выяснится, что эти UDG не имеют тяжёлых ореолов, состоящих из тёмной материи, исследователям всё ещё предстоит объяснить почему у них гораздо больше шаровых скоплений чем должно быть согласно имеющимся представлениям. «Во всём этом есть что-то странное» — говорит Хопкинс — «Однако в то же время это действительно круто».
Открытие вызвало достаточно интереса, чтобы обеспечить команде исследователей драгоценное время наблюдения на космическом телескопе Хаббл для изучения шаровых скоплений внутри Dragonfly 44. «Штука, которую я нахожу весёлой, заключается в том, что мы используем самый мощный телескоп человечества в космосе чтобы изучить отражения нескольких линз» — говорит Абрахам. Чтобы полностью понять взаимоотношение между тёмной материей и шаровыми скоплениями, надо оценить движения кластеров — а для этого следует дождаться запуска телескопа Джеймс Уэбб в 2018 году.
Питер ван Доккум, астроном Йельского университета, член команды которая открыла Dragonfly 44.
Параллельно они хотят найти и изучить ещё больше галактик, похожих на Dragonfly 44, желательно расположенных подальше от кластера, свободных от кластерного окружения и находящихся ближе к нам. Вопрос о том существуют ли они в другом месте, и если да то в какой форме — остаётся открытым. «Чтобы понять что такое UDG нам надо разыскать их вне кластеров галактик и посмотреть как они там выглядят» — говорит Лёб. Уже есть несколько кандидатов, говорит ван Доккум, и они сейчас изучаются телескопами Кек и Хаббл.
Для теоретиков вроде Острайкера это захватывающая перспектива. Если движение звёзд в галактике вроде Dragonfly 44 можно будет изучить ближе, то можно будет проверить сегодняшние теории о тёмной материи и сформировать новые представления о том как может быть перераспределена эта недостающая масса. Ведущая теория о холодной тёмной материи предполагает, что она должна скапливаться в центре галактики. Прямо сейчас галактики с преобладанием тёмной материи, которые мы можем изучить — это почти карликовые галактики и они не демонстрируют подобных характеристик. «Многие из свойств, которыми должна обладать тёмная материя… эти галактики не демонстрируют». Говорит Острикер. «Нам неизвестно как эти вещи сформированы и мы должны поменять точку зрения.»
Тёмный близнец нашего Млечного пути должен разрешить это несоответствие. Во вселенной других галактик размером с Млечный путь, звёзды и газ могут перевешивать тёмную материю в центральных областях с коэффициентом пять к одному. Поэтому объяснять гравитационное притяжение одной лишь тёмной материей неправильно. Но центр Dragonfly 44 на 98 процентов состоит из тёмной материи, а это означает, что изучение центральной массы галактики дало бы беспрецедентное понимание её свойств, говорит Острайкер.
Метод, с помощью которого мы сможем объяснить UDG, ещё не до конца ясен, признаёт Абрахам, но есть надежда что некоторые из современных трактовок найдут своё подтверждение в течение следующих нескольких лет наблюдений. «В астрономии по-прежнему самое эффективное — быть исследователем. В вопросе Dragonfly мы все как Лейф Эрикссон (скандинавский мореплаватель, который посетил Северную Америку за пять столетий до Христофора Колумба — ред.)» — говорит он. — Вы несколько месяцев на борту корабля и внезапно кто-то кричит: Земля! А этой земли нет на карте».
Оригинал: TheAtlantic
