Сердце одинокой галактики наполнено темной материей

По данным рентгеновской обсерватории Чандра, астрономы обнаружили изолированную галактику с большей концентрацией темной материи в ядре, чем ожидалось.

Звездам в галактике Markarian 1216 (Mrk 1216) почти столько же лет, сколько и самой Вселенной. Ученые обнаружили, что она прошла эволюцию, отличную от типичных галактик, как с точки зрения звезд, так и невидимой темной материи, которая благодаря гравитации удерживает галактику вместе. Темная материя составляет около 85% материи во Вселенной, хотя была обнаружена только косвенно.

Mrk 1216 принадлежит к семейству галактик эллиптической формы, которые в центре плотнее заполнены звездами, чем большинство других галактик. Астрономы считают, что они произошли от компактных галактик, «красных самородков», которые образовались примерно через миллиард лет после Большого взрыва, но затем остановились в своем росте около 10 миллиардов лет назад.

Если это объяснение верно, то темная материя в Mrk 1216 и ее галактические кузены также должны быть плотно набиты звездами. Чтобы проверить эту идею, пара астрономов изучила яркость рентгеновского излучения и температуру горячего газа на разных расстояниях от центра Mrk 1216, чтобы «взвесить», сколько темной материи существует в центре галактики.

«Когда мы сравнили данные Чандры с нашими компьютерными моделями, то обнаружили более сильную концентрацию темной материи, чем в других галактиках с аналогичной общей массой», - сказал Дэвид Буоте из Калифорнийского университета. «Это говорит о том, что история Mrk 1216 очень отличается от обычной галактики».

Согласно новому исследованию, гало темной материи сформировалось вокруг центра Mrk 1216 примерно через 3 или 4 миллиарда лет после Большого взрыва. Ожидается, что гало распространяется на большую область, чем звезды в галактике. Образование такой красной галактики-самородка типично для широкого круга эллиптических галактик, наблюдаемых сегодня. Но, в отличие от Mrk 1216, большинство гигантских эллиптических галактик продолжали постепенно увеличиваться в размерах, когда меньшие галактики сливались с ними.

«Древний возраст и плотная концентрация звезд в компактных эллиптических галактиках, таких как Mrk 1216, наблюдаемых вблизи, дали первое ключевое свидетельство того, что они потомки красных самородков, видимых на больших расстояниях», - сказал соавтор Аарон Барт из Калифорнийского университета. «Компактный размер ореола темной материи, видимый здесь, запутывает нас».

Ранее астрономы подсчитали, что сверхмассивная черная дыра в Mrk 1216 более массивная, чем ожидалось для галактики такой массы. Но последнее исследование пришло к выводу, что черная дыра весит менее чем в 4 миллиарда раз больше массы Солнца. Это только звучит много, но совершенно нормально для галактики размером с Mrk 1216.

Авторы также искали признаки вспышек сверхмассивной черной дыры в центре галактики. Они увидели намеки на полости в горячем газе, подобные тем, которые наблюдались в других массивных галактиках и скоплениях галактик, таких как Персей, но для подтверждения их присутствия требуется больше данных.

Данные Mrk 1216 также предоставляют полезную информацию о темной материи. Поскольку темная материя никогда не наблюдалась напрямую, некоторые ученые задаются вопросом, существует ли она вообще. В этом исследовании Буоте и Барт интерпретировали данные Чандры, используя как стандартные, «ньютоновские» модели гравитации, так и альтернативную теорию, известную как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), предназначенную для устранения потребности в темной материи в типичных галактиках. Результаты показали, что обе теории гравитации требуют примерно одинакового необычного количества темной материи в центре Mrk 1216, эффективно устраняя необходимость объяснения MOND.

«В будущем мы надеемся пойти еще дальше и изучить природу темной материи», - сказал Буоте. «Плотное накопление темной материи в середине Mrk 1216 может стать интересным тестом для нестандартных теорий, которые предсказывают менее концентрированную темную материю, например, для частиц темной материи, которые взаимодействуют друг с другом способом, отличными от гравитации».