Неожиданное обнаружение массивной, размером с Млечный путь системы, состоящей по большей части из тёмной материи, меняет теории о формировании галактик

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.

Ученые заметили сверхтяжелую галактику, почти целиком состоящую темной материи и сопоставимую по размерам с Млечным Путем. Это - «Стрекоза 44», уютно разместившаяся в соседнем скоплении Кома. «Стеркозу 44» почти не замечали, пока в прошлом году внимание не привлек ее неординарный состав, темной материи в ней больше, чем в других сверхмассивных объектах Вселенной.

«Стрекоза 44» напоминает кляксу величиной с Млечный Путь, но в ней гораздо меньше звезд. Долгое время ученые думали, что «Стрекоза» просто маленькая. Когда на нее обратили пристальный взгляд - поняли, там ничтожное количество обычного вещества, и космический объект должен был разорваться на куски. Но что-то заставляет держаться «Стрекозу 44».

Открытие совершили астрономы Йельского университета, под предводительством Питера ван Доккума. Получить идеальные снимки «Стрекозы» удалось в Обсерватории Кека на телескопе «Джемини Север». На протяжении шести ночей приборы делали снимки, чтобы установить скорости звезд «Стрекозе». 8-метровый «Джемини Север» помог увидеть, что вокруг ее оси, есть скопление звезд, как и во Млечном Пути.

«Резвость» звезд определяет массивность галактики, отмечают исследователи. Чем быстрее движутся светящиеся объекты, тем значительнее масса. Сначала ученых обескуражило, что звездочки «Стрекозы 44» движутся намного быстрее, чем это можно было бы ожидать в такой тусклой галактике. Единственное объяснение – огромное количество невидимой массы.

У «темной» галактики – состав впечатляет. Масса «Стрекозы 44» больше солнечной в триллион раз, как у Млечного пути. Лишь 1% это величины приходится на «привычное» вещество: звезды, пыль и различные объекты. А 99% - из гипотетической «темной материи», незримого «ингредиента», заполняющего нашу Вселенная. Черная материя в ней по подсчетам составляет 90%.

Исследователи отмечают, что это не первая «темная» галактика, открытая астрономами, но ранее находили только карликовые галактики со схожим составом. Они примерно в 10000 раз меньше, чем массивная «Стрекоза 44».

По словам Роберто Абрахама из Университета Торонто, астрономы пока не понимают, как могли образоваться «темные» галактики. Однако изучение данных «Джемини» показывает, что большая часть обычного вещества, сосредоточена в компактных кластерах, и очевидно это является важным ключом формирования «темных» галактик, который астрономы пока не смогли расшифровать.

В тоже время ван Доккум утверждает, что если мы хотим больше узнать о темной материи, определить ее состав и характеристики, то нужно искать больше таких объектов, как стрекоза 44. Так что охота за «темными» галактиками началась, слабые сигналы Вселенной, помогу раскрыть тайну невидимой материи.

Удивительность современной науки состоит в том, что её едва ли не в большей степени интересуют те явления и феномены, которые пока что существуют лишь в гипотезах, нежели явления и феномены реальные и давно наблюдаемые. В отношении изучения космоса подобный подход наиболее распространён и особенно ярко проявляется в рассмотрении проблемы тёмных галактик.

Тёмная сторона Вселенной

Гипотеза о существовании тёмных галактик основано на признании существования во Вселенной субстанции, противоположной материи, веществу – антивещества, тёмной материи. Тёмная материя сама по себе является данностью и не нуждается в доказательстве – обычные галактики и звёздные системы, в том числе и наша Солнечная система, состоит как из вещества, так и из антивещества. Но наблюдаемые галактики, в которых огромное количество звёзд, в своём «составе» имеют значительную долю вещества (космическая пыль, астероиды , планеты и их спутники, звёзды). Логично было бы предположить, что есть галактики, в которых соотношение вещества и антивещества сложилось по-другому и в них тёмной материи гораздо больше, чем собственно материи.

Разумеется, такое предположение и появилось, оно оформилось в гипотезу тёмных галактик, которая и сформулировала, что тёмные галактики - это галактики, в которых содержание антивещества превышает содержание вещества, звёзд присутствует совсем немного или даже их вовсе нет. При этом структурные связи в таких галактиках каким-то образом, ещё неизвестным науке, образует именно тёмная материя. Официальных доказательств наличия тёмных галактик пока что нет, однако эта проблема является предметом серьёзного научного исследования, так как имеются косвенные признаки тёмных галактик. Дело в том, что галактики движутся во Вселенной и нередко воздействуют друг на друга своими гравитационными полями, заставляя перемещаться свои звёзды. И имеются несколько случаев, когда передвижения звёзд, характерные для воздействия гравитации другой галактики, налицо, но никакой этой самой другой галактики поблизости не видно. Возможно, это воздействие оказывают именно тёмные галактики. Но существуют прямо противоположные мнения, насколько много может быть тёмных галактик: от предположения, что тёмных галактик в двадцать раз меньше галактик обычных, до версии, что тёмных галактик в сто раз больше, чем «нормальных» галактик.

Претендент: ядро невидимой галактики

Претендентов на то, чтобы считаться подтверждением гипотезы о тёмных галактиках, несколько; можно выделить три из них. Объект под кодовым названием HE0450-2958, который представляет собой квазар с необъяснимыми характеристиками. Квазаром называют ядро галактики, отличающееся необыкновенно ярким свечением, которое по своей интенсивности может превышать суммарную яркость всех звёзд многих галактик. Так вот, данный квазар отвечает всем условиям ядра галактики, кроме одного – рядом с ним не обнаружено галактики. Ядро галактики присутствует, а саму галактику обнаружить не могут.

Естественно, такой феномен весьма вдохновил сторонников гипотезы о тёмных галактиках – по их мнению, галактика вокруг квазара есть, просто она состоит преимущественно из тёмной материи , поэтому не может быть обнаружена. Возникли и альтернативные мнения, самое обоснованное из которых заключается в том, что галактика на самом деле есть, просто из-за воздействия расположенной неподалёку чёрной дыры она настолько маленькая, что её не видно с Земли из-за сильного свечения собственного ядра, квазара. Однако в настоящее время эта версия пока что не подтверждена данными наблюдений: не обнаружено вообще никаких признаков «нормальной галактики», что подозрительно даже с учётом фактора чёрной дыры.

Претендент из созвездия Девы

Второй претендент, носящий «имя» VIRGOHI21, ещё более загадочен, нежели первый претендент на честь стать подтверждённой тёмной галактикой. В том случае хотя бы есть видимое явление, квазар, здесь же принято говорить лишь об «объекте» в созвездии Девы. Несколько лет назад при наблюдении за одной из галактик этого созвездия были обнаружены несомненные следы активного гравитационного воздействия на эту галактику, а некоторые учёные высказывали даже мнение о столкновении галактик. Но вот никакой второй галактики в этом районе, расположенном на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли, учёные не смогли увидеть.

Судя по оказанным на видимую галактику воздействиям, объект, оказавший это воздействие, должен быть именно галактикой, и их взаимодействие длится как минимум сто миллионов лет. Однако на месте, где гипотетически расположен этот объект, до сих пор, даже с использованием самых современных и мощных телескопов, не могут обнаружить ни одной видимой звезды. Единственным вариантом, который могут предложить противники идеи о существовании тёмных галактик, является довольно сумбурное предположение, что объект VIRGOHI21 может быть своего рода «куском» антивещества, который по каким-то причинам образовался на ранних этапах истории Вселенной и с тех пор путешествует по её просторам.

Претендент: карликовая галактика

Честь именоваться третьим претендентом на право быть тёмной галактикой принадлежит карликовой галактике, являющейся спутником Млечного Пути и обозначенной как Segue 1. В момент первоначального открытия этой галактики, в 2008 году, присутствовало мнение, что это и вовсе не галактика, а просто случайно скопление звёзд, так или иначе «выпавших» из Млечного Пути. Так как было обнаружено всего лишь примерно тысяча видимых звёзд, что невероятно мало для «нормальной» галактики. Но после того, как были получены данные по массе Segue 1 и скорости передвижения находящихся в ней звёзд, первые робкие разговоры о том, что, возможно, это тёмная галактика, стали куда увереннее.

Дело в том, что масса якобы карликовой галактики в 3400 раз превышает максимальную массу, которую по расчётам должны были бы иметь расположенные в ней видимые звёзды. Что касается движения этих звёзд, то в случае наличия в данной области Вселенной только тысячи тех самых звёзд, то все они двигались бы относительно Млечного Пути с примерно равной скоростью 209 километров в секунду. Но у разных звёзд в Segue 1 наблюдается различная скорость, которая разнится от показателя 194 километра в секунду до скорости в 224 километра в секунду. Это означает, что в рассматриваемой галактике имеется огромное количество «чего-то», что сообщает различным звёздам различную скорость. Вполне вероятно, что это «нечто» и есть тёмная материя и в этом случае Segue 1 является тёмной галактикой.

Александр Бабицкий

Открытый несколько лет назад объект VIRGOHI21, по-видимому, является первой обнаруженной «темной галактикой», состоящей из темной материи.


Обнаруженный в 2000 г. в созвездии Девы, на расстоянии около 50 млн. световых лет от нас объект VIRGOHI21, привлекает пристальное внимание астрономов. Впервые ученые заподозрили неладное, изучая форму расположенной по соседству необычной спиральной галактики NGC 4254. Закрученные потоки газа и искривленный рукав галактики являются признаками гигантского космического столкновения, обусловленного массивным (до 100 млрд. солнечных масс) объектом, проходившим мимо NGC 4254 за последние 100 млн. лет. Тем не менее, никакого видимого второго участника столкновения с подходящей массой астрономы обнаружить не смогли.

Карта «темной галактики» VIRGOHI21

Такой крупный объект непременно должен был бы быть виден не только астрономическими лабораториями, но и простыми современными любительскими телескопами. Однако никакой галактики в нужном месте нет; более того, там не обнаруживается вообще никаких звезд. Несколько лет выдвигались, апробировались и отвергались различные объяснения наблюдаемому феномену.

Расположенная поблизости галактика NGC 4254 испытывает явное влияние VIRGOHI21: один из ее рукавов деформирован

Появившаяся несколько лет назад первая публикация о наблюдении VIRGOHI21 вызвала немало скептических отзывов, и астрономам пришлось провести все возможные тесты, пытаясь обнаружить в этой «темной галактике» звезды. Международная группа астрономов во главе с Робертом Минчиным (Robert Minchin) провели тщательные наблюдения за загадочным объектом, комбинируя данные, собранные радиотелескопом в Вестерборке (WSRT) и орбитальной обсерваторией Hubble. Однако и самые последние наблюдения подтверждают: в массивном VIRGOHI21 звезд нет, а обычная материя (в основном нейтральный водород) составляет максимум 0,2% от его массы.

Похоже, ученым удалось, наконец, экспериментально показать существование массивных скоплений темной материи, которые входят в теоретическую стандартную модель Вселенной. Согласно ей, обычная материя составляет около 5% от массы Вселенной, тогда как темная – около 25% (остальное приходится на энергию вакуума). Притягивая обычную материю, темная могла способствовать образованию галактик, а «темные галактики» – становиться распространенными спутниками обычных, в том числе и нашей.

Кроме того, совсем недавно была обнаружена темная материя, окружающая гигантское столкновение нескольких галактических скоплений: «Темное кольцо». Существуют и другие свидетельства существования темной материи: «Притягательное доказательство».

http://www.popmech.ru/part/?articleid=2286&rubricid=3

Темная материя - не только загадка, но и ключ к решению некоторых проблем. Несмотря на то что астрономы довольно долго шли к пониманию важной роли темной материи во Вселенной, лично я осознал это весьма быстро. В 1978 г. в Калифорнийском университете в Беркли, в ходе своего первого проекта после защиты диссертации, я определял скорости орбитального движения звездообразующих гигантских молекулярных облаков во внешней части диска нашей Галактики. Разработав наиболее точный метод измерения этих скоростей, я стал наносить полученные результаты (рукой на миллиметровку!) в общей комнате астрономического факультета. В тот момент в помещении находились еще два специалиста по Галактике - Фрэнк Шу (Frank Shu) и Айвэн Кинг (Ivan King). Они наблюдали, как я строил график скоростей внешних облаков, и полученная в результате картина показала нам, что Галактика очень богата темной материей, особенно во внешних областях. Мы сидели и размышляли над природой темного вещества, но все идеи, пришедшие нам тогда в голову, оказались ошибочными.

ГАЛАКТИЧЕСКОЕ ГОНГ-ШОУ
Диск Галактики искривлен, и астрономы полагают, что это не постоянное искривление, а медленно движущаяся волна, как колебание гонга или кожи на барабане. Причиной колебания диска автор считает искажение формы темного гало Галактики, вызванное влиянием двух небольших ее спутников

Это исследование, в числе многих других работ 1970-80-х гг.. убедило астрономов, что темная материя - загадочная субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, а проявляет себя только гравитационным воздействием, - не только существует, но и представляет собой основной компонент Вселенной. Измерения со спутника WMAP подтвердили, что масса темной материи в пять раз превышает массу обычного вещества - протонов, нейтронов, электронов и т.д. Но что это за невидимое вещество, до сих пор не ясно. О мере нашей неосведомленности говорит такой факт: самые скромные гипотезы предполагают, что темная материя состоит из экзотических частиц, не обнаруженных в ускорителях, но предсказанных до сих пор не доказанными теориями строения вещества; а наиболее радикальный взгляд заключается в том, что закон гравитации Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна либо неверны, либо нуждаются в пересмотре. Но независимо от своей природы темная материя уже сейчас дает нам ключ к пониманию некоторых загадочных свойств Галактики. Например, астрономы уже более 50 лет знают, что внешние части галактического диска искривлены наподобие того, как коробится виниловый диск, оставленный на радиаторе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

• Темная материя - одна из величайших научных загадок наших дней, но астрономы смирились с ее существованием, поскольку это помогает найти ответ на многие другие космические загадки.
• Чем бы ни была эта неведомая материя, она, по-видимому, может объяснить, отчего внешний край диска нашей Галактики так сильно искривлен. Обращающиеся вокруг Галактики карликовые галактики-спутники искажают ее диск, но их гравитационное влияние было бы слабым, если бы не усиливалось темной материей.
• Другой вопрос, на который отвечает темная материя, - почему у Галактики меньше спутников, чем предсказывают модели. Возможно, спутников гораздо больше, но они почти целиком состоят из темной материи, которую трудно обнаружить.

Но объяснить причину искривления не удавалось, пока не учли влияние темной материи. Точно так же компьютерное моделирование формирования Галактики, основанное на предполагаемых свойствах темной материи, показывает, что Галактику должны окружать сотни или даже тысячи маленьких галактик-спутников, а обнаружены пока лишь две дюжины из них. Это расхождение заставило ученых усомниться, действительно ли темная материя обладает теми свойствами, которые ей приписывают. Но недавно астрономы обнаружили еще несколько карликовых спутников, что немного улучшило ситуацию. Эти спутники не только помогают нам воссоздать историю формирования Галактики, но и дают более полное представление о космическом веществе.

Причина искривления

Первым шагом к пониманию роли темной материи в Галактике служит общий взгляд на ее строение. Обычное вещество - звезды и газ - образует четыре основных структуры: тонкий диск (включающий спиральные рукава и наше Солнце), плотное ядро (со сверхмассивной черной дырой), вытянутый балдж (называемый «баром») и сфероидальное гало из старых звезд и скоплений, охватывающее всю Галактику. Но темная материя распределена совсем иначе. Мы ее не видим, но догадываемся о ее наличии по скоростям движения звезд и газа. Ее гравитационное влияние на видимое вещество говорит о том, что эта материя распределена почти сферически и простирается далеко за границы звездного гало. Ее плотность максимальна в центре и уменьшается как квадрат расстояния от него. Именно такое распределение и должно было возникнуть в результате процесса, который астрономы называют иерархическим слиянием: считается, что в раннюю эпоху Вселенной маленькие галактики объединялись, образуя более крупные, в том числе и нашу Галактику.

Многие годы астрономы не могли продвинуться дальше представления о темной материи в виде огромного бесструктурного шара из неизвестного вещества. За последние несколько лет нам удалось понять многие детали: темная материя теперь выглядит интересней, чем представлялась до сих пор. Многие факты говорят, что это вещество распределено не равномерно, а собрано в огромные облака.

Такая неоднородность могла бы объяснить наблюдаемое астрономами искривление краев галактического диска. На расстояниях более 50 тыс. световых лет от центра диск почти полностью состоит из атомарного водорода и небольшого числа звезд. Наблюдения радиоастрономов показывают, что газ не сосредоточен в плоскости Галактики: чем дальше от центра, тем больше он изгибается. На расстоянии примерно 75 тыс. световых лет диск изогнут примерно на 7,5 тыс. световых лет по отношению к плоскости.

ЧТО ИСКРИВИЛО ГАЛАКТИКУ?

Диск нашей Галактики, содержащий большую часть звезд и газа, имеет примерно те же пропорции, как и виниловая пластинка или компакт-диск. Деформация галактического диска сделала его похожим на винил или CD, с которыми плохо обращались

Вернемся к старой гипотезе
Гипотеза 1950-х гг. приписывала эту деформацию гравитационному влиянию двух галактик-спутников, Большому и Малому Магеллановым Облакам. Ее отвергли потому, что эти галактики слишком легкие, чтобы оказать заметное влияние на нашу Галактику. Теперь астрономы узнали, что видимую часть Галактики окружает огромное гало из темной материи. Недавно они показали, что темная материя может усиливать гравитационное влияние Облаков, чем и объясняется искривление диска

Ясно, что вращаясь вокруг центра Галактики, газовый диск еще и колеблется вверх-вниз относительно плоскости. Эти колебания охватывают периоды в сотни миллионов лет, и мы наблюдаем их в некоторый момент цикла. В сущности, газовый диск работает как гигантский, медленно вибрирующий гонг. Подобно гонгу, он может вибрировать на нескольких частотах, каждой из которых соответствует определенная форма поверхности. В 2005 г. я и мои коллеги доказали, что наблюдаемое искривление представляет собой сумму трех таких частот (самая нижняя на 64 октавы ниже «до» первой октавы). Суммарный эффект получается асимметричным: на одной стороне Галактики газ располагается над плоскостью, а на другой стороне - под ней.

Радиоастрономы, первыми заметившие это искривление в 1950-х гг., думали, что оно может быть результатом гравитационного влияния Магеллановых Облаков - самых массивных спутников нашей Галактики. Поскольку они движутся не в плоскости Галактики, их тяготение стремится исказить наш диск. Но детальные расчеты показали, что притяжение сравнительно легких Магеллановых Облаков слишком слабо, чтобы объяснить искривление галактического диска. Десятилетиями его причина оставалась неразрешимой задачей.

Темный молот

Осознание того, что Галактика содержит темную материю, наряду с более точным измерением массы Магеллановых Облаков (которая оказалась больше, чем думали) открыло новые возможности. Если газовый диск ведет себя как гигантский гонг, то движение Магеллановых Облаков сквозь гало темной материи должно действовать, пусть и не прямо, как удары молота по гонгу, который издает звуки на резонансных частотах. Облака создают свой след в темной материи, как лодка оставляет кильватерный след, плывя по воде. Вот так и за Облаками возникает неоднородность в распределении темного вещества. А это в свою очередь действует как молот, вызывая колебание маломассивных внешних частей диска. В результате, хотя Магеллановы Облака и малы, темная материя существенно усиливает их влияние. Такую идею предложил в 1998 г. Мартин Вайнберг (Martin D. Weinberg) из Массачусетсского университета в Амхерсте. Затем мы с ним применили эту теорию к наблюдениям Галактики и обнаружили, что можем воспроизвести три типа колебаний газового диска. Если теория верна, то искривление диска Галактики должно вести себя активно: его форма меняется вследствие орбитального движения Магеллановых Облаков. Форма Галактики не постоянна, она непрерывно изменяется. (Видео этого процесса доступно на сайте (англ) либо ниже. - Прим. ред.)

Это видео показывает спиральную форму нашей Галактики и два ее маленьких галактик-спутника, Большое и Малое Магеллановы Облака (слева). Спутники вращаются вокруг основной галактики, тем самым, запускают медленно распространяющеюся волну в ней. В человеческом масштабе времени, эти волны выглядят как статические деформации в галактической окрестности. Странно, то, что спутники слишком малы для того что бы вызвать такой эффект. Астрономы недавно показали, что их вес значительно больше за счет темной материи (на видео не показано)

Магеллановы Облака не являются единственными спутниками Млечного Пути. Астрономы насчитали около двух десятков. Это видео показывает их трехмерное положение по отношению к плоскости галактики, где Солнце и большинство других звезд скрыты. С помощью The Sloan Digital Sky Survey было показано, что в части выделенной розовым цветом находятся еще десятки спутников. Они очень тусклы и состоят, в основном, из темной материи.

Искривление - не единственная асимметрия формы Галактики. Весьма неравномерна и толщина внешнего газового диска, что также было обнаружено с помощью радиотелескопов. Если провести линию от Солнца к центру Галактики и продолжить ее дальше до края, то обнаружится, что толщина газового слоя по одну сторону от этой линии в среднем вдвое больше, чем по другую. Эта сильная асимметрия динамически нестабильна: предоставленная сама себе, она должна выравниваться. Поэтому для ее поддержания требуется какой-то механизм. Астрономы 30 лет знали об этой проблеме, но «заметали ее под ковер». Однако новые детальные обзоры атомарного водорода в Галактике и прогресс в понимании некруговых движений газа не позволяют больше игнорировать эту асимметрию. Появились два возможных объяснения, и оба учитывают темную материю. Либо Галактика сферическая, но не концентрическая со своим гало из темной материи, либо, как считают Канак Саха (Kanak Saha) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Гархинге и его коллеги, гало из темной материи само асимметрично. Обе эти идеи ставят под сомнение уверенность астрономов в том, что Галактика и ее темное гало сформировались одновременно при конденсации одного огромного облака. Если бы это было так, то обычное вещество и темная материя должны были бы иметь центры в одном и том же месте. Но асимметрия явно указывает на то, что Галактика образовалась при слиянии более мелких звездных систем или же росла из-за постоянной аккреции межгалактического газа, - оба этих процесса не должны быть симметричными. Центр Галактики может быть смещен относительно центра темной материи, поскольку газ, звезды и темная материя ведут себя по-разному.

Для проверки этой идеи нужно исследовать длинные и тонкие потоки звезд, протянувшиеся по внешним областям Галактики. Это вытянувшиеся остатки прежних галактик-спутников. На орбитах вокруг нашей звездной системы в основном движутся сфероидальные карлики, названные так из-за их округлой формы и малой массы входящих в них звезд - примерно в 10 тыс. раз меньше массы звезд Галактики. Со временем эти карлики сходят с орбиты, и на них начинают действовать приливные силы Галактики. Это те же силы, которые создает Луна на Земле, вызывая дважды в сутки приливы и отливы морской воды. Карликовая галактика начинает вытягиваться и может стать узенькой лентой (см.: Гибсон Б.. Ибата Р. Призраки погибших галактик).

Поскольку эти звездные потоки движутся вокруг Галактики на больших расстояниях от центра, где гравитационное влияние темной материи велико, форма потоков зависит от формы гало. Если гало не идеально сферично, а немного сплюснуто, то оно разворачивает орбиты звезд потока и вызывает заметное отклонение от движения по большому кругу. Однако потоки выглядят очень тонкими, и их орбиты вокруг Галактики близки к большим кругам. Компьютерное моделирование Родриго Ибаты (Rodrigo Ibata) и его коллег показало, что распределение темной материи близко к сферическому, хотя и может быть смещенным, как полагают Саха с коллегами.

Скрытые галактики

Если разрушение карликовых галактик вызывает некоторые вопросы, то об их возникновении известно еще меньше. Согласно современным взглядам, рождение галактик начинается с формирования скоплений темной материи, которые затем стягивают к себе газ и звезды, образующие их видимые части. Так рождались не только крупные галактики, такие как наша, но и многочисленные карлики. Эти модели довольно точно предсказывают свойства карликовых галактик, но их количество, согласно моделям, должно быть гораздо больше, чем реально наблюдается. Где же ошибка - в моделях или в наблюдениях?

СКРЫТЫЕ ЧЛЕНЫ ГАЛАКТИЧЕСКОГО СЕМЕЙСТВА

Согласно теории, вокруг нашей Галактики должны обращаться сотни галактик-спутников. Астрономы долго переживали, что нашли всего около двух дюжин таких галактик, но теперь с помощью Слоуновского обзора неба этот пробел восполнен - найдены не обнаруженные ранее спутники. Они состоят из почти чистой темной материи. (Расположение предсказанных спутников дано условно: оно отражает их общее распределение.)

Частично на этот вопрос ответил анализ Слоуновского обзора (Sloan Digital Sky Survey, SDSS), охватывающего примерно четверть всего неба. В ходе этого обзора обнаружили почти дюжину новых, очень тусклых галактик-спутников, что весьма удивительно: ведь наблюдения неба проводят давно, и трудно понять, как можно было не замечать таких близких соседей. Эти галактики называют «бледными карликами»; порой в них содержится всего несколько сотен звезд. Они такие тусклые и разреженные, что их невозможно разглядеть на обычном изображении неба. Нужна специальная техника обработки, чтобы их заметить. Если бы Слоуновский обзор покрыл все небо, то обнаружилось бы еще около 35 бледных карликов. Но и при этом не были бы найдены все «скрытые» карлики. Поэтому астрономы думают над новыми методами поиска. Возможно, многие из этих галактик слишком далеки и недоступны современным телескопам. Слоуновский обзор может обнаруживать бледные карлики на расстояниях примерно до 150 тыс. световых лет. Эрик Толлеруд (Erik Tollerud) с коллегами из Калифорнийского университета в Ирвайне считает, что около 500 необнаруженных галактик удалены от центра нашей Галактики примерно на 1 млн световых лет. Астрономы смогут обнаружить их с помощью нового Большого обзорного телескопа (Large Synoptic Survey Telescope), который начнет действовать в марте следующего года. По площади объектива он в восемь раз превосходит Слоуновский телескоп.

Согласно другой гипотезе, вокруг Галактики обращаются спутники еще более тусклые, чем бледные карлики: возможно, они такие потому, что вообще не содержат звезд. Это почти чистая темная материя. Сможем ли мы когда-нибудь заметить эти темные карлики, зависит от того, содержат ли они наряду с темной материей газ. Этот газ может быть очень разреженным и поэтому охлаждаться так медленно, что из него не формируются звезды. Но радиотелескопы, делая обзор больших участков неба, могут его обнаружить.

Но если эти галактики вообще лишены газа, то они могут проявить себя только косвенно, посредством гравитационного влияния на обычное вещество. Если одна из подобных темных галактик промчится сквозь диск нашей или какой-либо иной галактики, она оставит после себя «всплеск» - как брошенный в спокойное озеро камушек, - и это проявится как наблюдаемое возмущение в пространственном распределении или в скоростях звезд и газа. К сожалению, такой «всплеск» очень слаб, и астрономы должны убедиться в его подлинности, что нелегко. В дисках атомарного водорода у всех спиральных галактик наблюдаются возмущения, похожие на волны бушующего моря.

Если темная галактика достаточно массивна, то метод, который разработала Суканья Чакрабарти (Sukanya Chakrabarti) из Атлантического университета штата Флорида с коллегами, включая меня, позволит заметить ее движение. Недавно мы показали, что самые сильные возмущения на краях галактик - это приливные следы, оставленные пролетавшими мимо галактиками, и их можно отличить от других искажений. Анализируя возмущения, мы можем определить массу и текущее положение возмущающей галактики. Этим методом можно выявить галактики, масса которых в тысячу раз меньше массы главной. Применив этот метод к нашей звездной системе, мы пришли к выводу, что необнаруженный и, возможно, совершенно темный спутник скрывается в галактической плоскости на расстоянии 300 тыс. световых лет от центра Галактики. Мы попытаемся найти этот карлик в ближнем инфракрасном диапазоне, используя данные космического телескопа «Спитцер».

Слишком мало света

Даже обнаружив бледные и темные галактики, астрономы часто затрудняются определить количество содержащегося в них вещества. Обычно это количество вычисляют по соотношению «масса - светимость»: масса вещества в галактике, деленная на полное количество излучаемого ею света. Как правило, это соотношение указывают в солнечных единицах. У Солнца отношение массы к светимости по определению равно 1. В нашей Галактике средняя звезда менее массивна и более тускла, чем Солнце, поэтому общее отношение «масса - светимость» всего светящего вещества в Галактике близко к 3. Но если учесть темное вещество, то полное отношение массы к светимости Галактики подскочит до 30.

Джош Саймон (Josh Simon) из Института Карнеги в Вашингтоне и Марла Геха (Maria Geha) из Йельского университета измерили скорости звезд в восьми бледных карликах для определения массы и светимости этих галактик. Отношение «масса - светимость» у них порой превышает 1000, что гораздо выше, чем у любой структуры во Вселенной. В целом темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Почему же отношение массы к светимости у нашей Галактики намного выше, а у бледных галактик оно еще значительнее?

Ответ может определяться либо числителем, либо знаменателем этого отношения: галактики с отношением массы к светимости выше среднего значения по Вселенной либо имеют массу больше ожидаемой, либо дают меньше света. Астрономы считают, что дело в знаменателе: огромное количество обычного вещества не излучает достаточно сильно, чтобы его можно было заметить. Причина в том, что это вещество либо не смогло скопиться в галактиках и превратиться в звезды, либо осело в галактики, но затем было выброшено обратно в межгалактическое пространство, где пребывает в ионизованном виде, недоступном для наблюдения при помощи современных телескопов (см.: Гич Дэк. Потерянные галактики // ВМН, № 9, 2011). Маломассивные галактики, обладающие слабым притяжением, теряют больше газа, поэтому их светимость заметно снижается. Любопытно, что пытаясь решить проблемы с одним типом невидимого вещества (темная материя), мы приходим к мысли о существовании других его типов (обычного, но не обнаруженного вещества).

Загадка темной материи, много лет пребывавшая в спячке, стала сейчас самой резонансной областью исследований как в физике, так и в астрономии. Физики надеются обнаружить частицы темной материи, а астрономы исследуют поведение этого вещества. Но независимо от того, разгадали мы природу темной материи или нет, само ее наличие позволяет понять многие астрономические явления."

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. A Magellanic Origin for the Warp of the Galaxy, Martin D. Weinberg and Leo Blitz in Astrophysical Journal Letters, Vol. 641. № 1. pages L33-L36; April 10. 2006. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0601694
2. The Vertical Structure of the Outer Milky Way HI Disk, E. S. Levine. Leo Blitz and Carl Heiles in Astrophysical Journal. Vol. 643. № 2, pages 881-896: June 1.2006. http://arx-iv.org/abs/astro-ph/0601697
3. Finding Dark Galaxies from Their Tidal Imprints, Sukanya Chakrabarti. Frank Bigiel. Philip Chang and Leo BUtz. Submitted to Astrophysical Journal, http://arxiv.org/abs/1101.0815
4. Фридман A.M., Хоперсков А.В. Физика галактических дисков. М.: Физматлит. 2011.
5. Сурдин В.Г. Пятая сила. 2-е изд. М.: МЦНМО. 2009.
6. Кинг А.Р. Введение в классическую звездную динамику. 2-е изд. М.: Едиториал УРСС. 2011.

ОБ АВТОРЕ

Лео Блиц (Leo Blitz) еще со школьной скамьи под впечатлением от научно-популярного телесериала «Наблюдай за мистером Волшебником» (Watch Mr. Wizard) мечтал стать астрономом. Сейчас он профессор Калифорнийского университета в Беркли, а был директором Радиоастрономической лаборатории.