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? 

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.

Когда появилась в известном нам виде Вселенная, 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.

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.

В нашем 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.

Такое наблюдение кажется ужасно 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.

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.

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.

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.