Обнаружено две галактики вообще без темной матери

Подобно тому, как рябь в пруду указывает на то, что кто-то бросил камень, пробежал водомер или прыгнула лягушка, существование таинственного вещества — темной материи — определяется по его обширному влиянию на космос. Астрономы не могут наблюдать его напрямую, однако гравитация темной материи определяет рождение, форму и движение галактик. Это делает открытие прошлого года совершенно неожиданным: в странной, диффузной галактике вообще не нашли темной материи. Думаете, на этом все? Как бы не так.

Некоторые ученые приветствовали это открытие. Другие высказали свои сомнения, раскритиковав измерение расстояний и движения галактики. Ставки высоки: если в этой галактике действительно не хватает темной материи, это парадоксальным образом подтвердит существование этого вещества.

И вот, изначальная команда обзавелась дополнительными доказательствами, подтверждающими ее первоначальное открытие. Кроме того, была обнаружена вторая галактика с похожими симптомами. Там, где раньше была одна ультрадиффузная галактика, свободная от темной материи (на первый взгляд), теперь их две.

«Один объект всегда можно списать как единорога, но как только вы находите двух единорогов, вы начинаете задумываться о возможном существовании единорогов», говорит Майкл Бойлан-Колчин, астроном Техасского университета в Остине, который не принимал участия в этом исследовании. «И затем вы начинаете задумываться о том, откуда они взялись, каковы их свойства и насколько они распространены».

Две интересующих нас галактики очень тусклые и находятся далеко от Земли: фотоны из их звездных скоплений начали путешествовать в сторону нашей планеты  в последние дни правления динозавров, около 65 миллионов лет назад. Первая галактика NGC 1052-DF2 размером с Млечный Путь, но содержит в 100 раз меньше звезд. Новая галактика NGC 1052-DF4 находится в том же участке неба и по размерам и массе примерно такая же.

В марте прошлого года ученые во главе с Шани Даниэли и Питером ван Доккумом из Йельского университета опубликовали исследование, в котором оценили размер NGC 1052-DF2, наблюдая его звездный свет, а также движения звездных скоплений, которые его окружают. Если бы NGC 1052-DF2 содержала столько темной материи, сколько от нее обычно ожидают астрономы, темная материя повысила бы орбитальные скорости этих звездных явлений. Но они движутся вяло, что говорит о том, что темная материя отсутствует. Критики возражают тем, что скорости этих звездных скоплений были неправильно рассчитаны — и даже если их расчеты правильные , размер выборки из всего 10 звездных скоплений был слишком скромным для надежного определения запаса темной материи в NGC 1052-DF2.

В октябре Даниэли решила заняться этим вопросом, используя другую технику. Она взяла Keck Cosmic Web Imager, новый инструмент, недавно установленный за гигантским 10-метровым основным зеркалом телескопа Кека на Гавайях. Этот прибор может измерять свет от очень слабых объектов с чрезвычайно высоким разрешением, что делает его идеальным инструментом для изучения ультрадиффузных галактик, таких как NGC 1052-DF2. Этот инструмент оказался настолько хорош, что Даниэли больше не пришлось изучать движения звездного скопления, чтобы определить массу галактики. Вместо этого она могла получить массу напрямую, непосредственно используя звездный свет галактики.

С точки зрения информации, звездный свет содержит много ее. Разделяя свет на составляющие его цвета (это называется спектроскопией), ученые могут определить состав звезды, ее возраст, направление движения в космосе и скорость. Большая часть этой информации передается в виде спектральных линий — линейных элементов, встроенных в спектр звезды вследствие излучения или поглощения различных химических элементов. Инструмент Кека измерил спектр примерно 10 миллионов звезд в галактике DF2. Размер разброса между самыми быстрыми и самыми медленными звездами в галактике дает представление о том, сколько материи с ними взаимодействует. Чем большее материи — темной или еще какой — тем больше разброс в скоростях звезд.

«К нашему собственному удивлению, мы измерили чрезвычайно узкие спектральные линии, которые оставляют очень мало места для большей массы, кроме массы, вносимой звездами в галактике», говорит Даниэли. Темной материи просто нет места.

Тем временем, Эрик Эмселлем из Европейской южной обсерватории и его коллеги исследовали галактику с помощью Очень Большого Телескопа в чилийской пустыне Атакама. Они также обнаружили низкоскоростную дисперсию, которая поддерживает сценарий отсутствующей темной материи.

Николас Мартин, астроном из Страсбургского университета во Франции, был одним из критиков оригинальной статьи. В последующей работе, опубликованной в прошлом году, он утверждал, что слишком сложно оценить массу галактики DF2 на основе движений окружающего звездного скопления. Но Мартин говорит, что его успокоили последние результаты Даниэли и Эмселлем.

«Это стало возможно благодаря новым приборам, которые прибыли на самые большие телескопы на планете. И, если честно, год назад мне не было очевидно, что это будет осуществимо. Год назад я не был готов сказать, что эта система будет прям обязательно странной, потому что мне казалось, что измерения не поддерживаются данными в полной мере. Но теперь, когда есть две разные команды, которые измерили диапазон скоростей самих звезд, я думаю, стало очевидно, что странность есть».

Результаты работы Даниэли были представлены на конференции по темной материи в Принстонском университете и будут опубликованы в Astrophysical Journal Letters.

В целом, ее исследование предполагает, что существует целый класс таких бедных темной материей галактик.

Некоторые астрономы ломают голову над тем, как такие галактики могли образоваться и куда делась темная материя. Бойлан-Колчин говорит, что одной из возможностей является гравитационное притяжение соседней, гораздо более крупной галактики, отделенной от темной материи. Либо же DF2 и DF4 могут быть не галактиками вовсе, а скромными собраниями звезд, маскирующимися под галактики; в этом случае эти изолированные группы звезд могут образовываться из сталкивающихся джетов газа, вытекающего из другого места. Или могут быть еще более скучные сценарии, например, ориентация галактик относительно Земли, которая неблагоприятно влияет на получение точных спектральных измерений их движений.

Одно понятно наверняка: если никаких весомых сомнений не появится, отсутствие темной материи в галактиках убедительно покажет, что это вещество отделимо от звезд, газа, пыли и другой обычной материи. И это, в свою очередь, укрепит аргумент в пользу существования темной материи.

На сегодняшний день никто точно не обнаружил темную материю, несмотря на десятилетия активных поисков. Отсутствие доказательств побудило некоторых астрофизиков искать альтернативные способы лепки галактик и управления их движением за счет появления гипотез вроде «эмерджентной гравитации» и «модифицированной ньютоновской динамики». Сторонники этих гипотез утверждают, что большинство астрономов полагает, что темная материя может быть явлением, которое возникает из физики, которую мы не понимаем в полной мере. Но в таком случае эти странные галактики будут говорить в пользу того, что альтернативы неверны и что темная материя действительно может быть причиной.