В двох галактиках взагалі не знайшли темної матерії. Що відбувається?

Подібно до того, як брижі в ставку вказує на те, що хтось кинув камінь, пробіг водомір або стрибнула жаба, існування таємничого речовини — темної матерії — визначається за його великого впливу на космос. Астрономи не можуть спостерігати його безпосередньо, однак гравітація темної матерії визначає народження, форму і рух галактик. Це робить відкриття минулого року абсолютно несподіваним: в дивній, дифузної галактиці взагалі не знайшли темної матерії. Думаєте, на цьому все? Як би не так.

без темної матерії

Деякі вчені вітали це відкриття. Інші висловили свої сумніви, розкритикувавши вимірювання відстаней і руху галактики. Ставки високі: якщо в цій галактиці справді не вистачає темної матерії, це парадоксальним чином підтвердить існування цієї речовини.

І ось, перша команда обзавелася додатковими доказами, що підтверджують її початкове відкриття. Крім того, була виявлена друга галактика зі схожими симптомами. Там, де раніше була одна ультрадиффузная галактика, вільна від темної матерії (на перший погляд), тепер їх дві.

«Один об'єкт завжди можна списати як єдинорога, але як тільки ви знаходите двох єдинорогів, ви починаєте замислюватися про можливе існування єдинорогів», говорить Майкл Бойлан-Колчин, астроном Техаського університету в Остіні, який не брав участі в цьому дослідженні. «І потім ви починаєте замислюватися про те, звідки вони взялися, які їхні властивості і наскільки вони поширені».

У пошуках єдинорогів

Дві цікавлять нас галактики дуже тьмяні і знаходяться далеко від Землі: фотони з їх зоряних скупчень почали подорожувати в бік нашої планети в останні дні правління динозаврів близько 65 мільйонів років тому. Перша галактика NGC 1052-DF2 розміром з Чумацький Шлях, але містить в 100 разів менше зірок. Нова галактика NGC 1052-DF4 знаходиться в тому ж ділянці неба і за розмірами і масою приблизно така ж.

У березні минулого року вчені на чолі з Шані Даніелі і Пітером ван Доккумом з Єльського університету опублікували дослідження, в якому оцінили розмір NGC 1052-DF2, спостерігаючи його зоряний світ, а також руху зоряних скупчень, які його оточують. Якби NGC 1052-DF2 містила стільки темної матерії, скільки від неї зазвичай чекають астрономи, темна матерія підвищила б орбітальні швидкості цих зоряних явищ. Але вони рухаються мляво, що говорить про те, що темна матерія відсутня. Критики заперечують тим, що швидкості цих зоряних скупчень були неправильно розраховані — і навіть якщо розрахунки правильні , розмір вибірки з усього 10 зоряних скупчень був надто скромним для надійного визначення запасу темної матерії в NGC 1052-DF2.

У жовтні Даніелі вирішила зайнятися цим питанням, використовуючи іншу техніку. Вона взяла Keck Cosmic Web Imager, новий інструмент, нещодавно встановлений за гігантським 10-метровим основним дзеркалом телескопа Кека на Гаваях. Цей прилад може вимірювати світло від дуже слабких об'єктів з надзвичайно високою роздільною здатністю, що робить його ідеальним інструментом для вивчення ультрадиффузных галактик, таких як NGC 1052-DF2. Цей інструмент виявився настільки хороший, що Даніелі більше не довелося вивчати руху зоряного скупчення, щоб визначити масу галактики. Замість цього вона могла отримати масу прямо, безпосередньо використовуючи зоряний світ галактики.

З точки зору інформації, зоряне світло містить багато її. Поділяючи світ на його складові кольору (це називається спектроскопією), вчені можуть визначити склад зірки, її вік, напрямок руху в космосі і швидкість. Більша частина цієї інформації передається у вигляді спектральних ліній — лінійних елементів, вбудованих в спектр зірки внаслідок випромінювання або поглинання різних хімічних елементів. Інструмент Кеку виміряв спектр приблизно 10 мільйонів зірок в галактиці DF2. Розмір різниці між найшвидшими і найповільнішими зірками в галактиці дає уявлення про те, скільки матерії з ними взаємодіє. Чим більша матерії — темною або ще який — тим більше розкид в швидкостях зірок.

«До нашого власного подив, ми виміряли надзвичайно вузькі спектральні лінії, які залишають дуже мало місця для більшої маси, крім маси, що вноситься зірками в галактиці», говорить Даніелі. Темної матерії просто немає місця.

Тим часом, Ерік Эмселлем з Європейської південної обсерваторії і його колеги досліджували галактику з допомогою Дуже Великого Телескопа в чилійській пустелі Атакама. Вони також виявили низькошвидкісну дисперсію, яка підтримує сценарій відсутньою темної матерії.

Ніколас Мартін, астроном з Страсбурзького університету у Франції, був одним з критиків оригінальної статті. У подальшій роботі, опублікованій в минулому році, він стверджував, що дуже складно оцінити масу галактики DF2 на основі рухів навколишнього зоряного скупчення. Але Мартін говорить, що його заспокоїли останні результати Даніелі і Эмселлем.

«Це стало можливо завдяки новим приладам, які прибули на найбільші телескопи на планеті. І, якщо чесно, рік тому мені не було очевидно, що це буде можливо. Рік тому я не був готовий сказати, що ця система буде прям обов'язково дивною, тому що мені здавалося, що вимірювання не підтримуються даними в повній мірі. Але тепер, коли є дві різні команди, які виміряли діапазон швидкостей самих зірок, я думаю, стало очевидно, що дивина є».

Результати роботи Даніелібули представлені на конференції з темної матерії в Прінстонському університеті і будуть опубліковані в Astrophysical Journal Letters.

В цілому, її дослідження передбачає, що існує цілий клас таких бідних темною матерією галактик.

У пошуках зниклої матерії

Деякі астрономи ламають голову над тим, як такі галактики могли утворитися і куди поділася темна матерія. Бойлан-Колчин говорить, що однією з можливостей є гравітаційне тяжіння сусідній, набагато більш великої галактики, відокремленої від темної матерії. Або ж DF2 і DF4 можуть бути не галактиками зовсім, а скромними зборами зірок, маскирующимися під галактики; в цьому випадку ці ізольовані групи зірок можуть утворюватися з стикаються джетів газу, що випливає з іншого місця. Чи можуть бути ще більш нудні сценарії, наприклад, орієнтація галактик щодо Землі, яка несприятливо впливає на отримання точних спектральних вимірювань їх рухів.

Одне зрозуміло точно: якщо ніяких вагомих сумнівів не з'явиться, відсутність темної матерії в галактиках переконливо покаже, що це речовина віддільно від зірок, газу, пилу та іншої звичайної матерії. І це, в свою чергу, зміцнить аргумент на користь існування темної матерії.

На сьогоднішній день ніхто точно не виявив темну матерію, незважаючи на десятиліття активних пошуків. Відсутність доказів спонукало деяких астрофізиків шукати альтернативні способи ліплення галактик і управління їх рухом за рахунок появи гіпотез кшталт «эмерджентной гравітації» і «модифікованої ньютонівської динаміки». Прихильники цих гіпотез стверджують, що більшість астрономів вважає, що темна матерія може бути явищем, яке виникає з фізики, яку ми не розуміємо в повній мірі. Але в такому разі ці дивні галактики будуть говорити на користь того, що альтернативи невірні і що темна матерія дійсно може бути причиною.

Що ж, поживемо — побачимо. Не забудьте з новинами, щоб побачити темну матерію першими.