Темная материя - одно из самых загадочных и неинтуитивных понятий во всей физике. Но он нам все еще нужен.
Наша Вселенная не похожа на нас. Хотя мы состоим из атомов и других форм обычной материи, наблюдения космического масштаба показывают, что подавляющая часть Вселенной темна. Есть темная энергия, способствующая расширению Вселенной, и темная материя, удерживающая вместе массивные глыбы и скопления. Каждая известная галактика содержит примерно в пять раз больше темной материи, чем обычной материи, что приводит к гравитационным явлениям, которые мы наблюдаем.
Но бывают и исключения. Ранее в этом году астрономы открыли одну из самых загадочных галактик, когда-либо обнаруженных, NGC 1052-DF2. Он рассеянный, такой же большой, как Млечный Путь, но с менее чем 1% наших звезд. Ранние наблюдения показали, что у него отсутствует большая часть, если не вся, темная материя. Но действительно ли эта галактика представляет собой проблему для темной материи или происходит что-то более сложное? 2018 год подходит к концу, и вот что мы узнали на данный момент.
Когда Вселенная, какой мы ее знаем, впервые возникла, она была горячей, плотной, расширяющейся, почти идеально однородной и полной материи и излучения. По мере расширения он охлаждался, что забирало энергию у излучения. Когда материя стала доминировать во Вселенной, гравитация начала притягивать дополнительную массу в сверхплотные области, что привело к образованию сгустков газа, звезд, звездных скоплений и, в конечном счете, галактик.
Вселенная начала расти именно таким образом: сначала в наименьших масштабах. Во Вселенной с одинаковой средней плотностью везде меньшие масштабы расстояний означают меньшие массы. Когда вы формируете новые звезды в небольших масштабах, ветры, радиация и возникающие в результате сверхновые звезды могут выбрасывать большое количество обычной материи изнутри. В результате во многих галактиках малого масштаба, которые мы видим сегодня, отношение темной материи к нормальной материи различно, а не стандартное 5 к 1.
Но в более крупных масштабах, когда галактики вырастают до размера, сравнимого с Млечным Путем, соотношение 5 к 1 является практически универсальным. Даже самые большие волны звездообразования не могут вытеснить значительное количество материи из галактики. Только быстро перемещаясь через богатое окружение галактических скоплений, можно вытащить обычную материю из своей родной галактики; галактики, обнаруженные вне скоплений, должны быть в безопасности.
Вот почему NGC 1052-DF2 стала таким сюрпризом. Несмотря на тот же физический размер, что и Млечный Путь, у него нет никаких особенностей, которые мы связываем с нашей собственной галактикой. Это не спираль, у нее нет диска, нет центральной выпуклости, а звезд всего около 0,5% от того, что есть в нашей Галактике. Это также не эллиптическая галактика, так что она не просто отличается от нашей. Но это ничто по сравнению со странностями того, что мы обнаружили внутри.
В нашем Млечном Пути насчитывается более 100 шаровых скоплений, разбросанных по всей нашей галактике в форме гало. Эти объекты в основном представляют собой скопления от сотен тысяч до миллионов звезд, сконцентрированные в сферической области радиусом всего в несколько десятков световых лет. В большинстве случаев они образовали звезды одновременно много миллиардов лет назад, и их звезды движутся внутри так, как и следовало ожидать, исходя из законов гравитации. И внутри нашего Млечного Пути эти шаровые скопления движутся со скоростью сотни километров в секунду относительно друг друга, что согласуется с тем, что Млечный Путь обладает большим массивным ореолом темной материи.
В NGC 1052-DF2, однако, история была несколько иной. Как и следовало ожидать, у него есть шаровые скопления. Эти шаровые скопления были немного больше наших, но это не такой уж сюрприз. Что было удивительно, так это то, что все они имели примерно одинаковые скорости друг друга.
Это наблюдение казалось ужасно подозрительным. В любой галактике должна существовать зависимость между тем, как быстро движутся внутренние объекты внутри, и общей гравитационной массой того, что ее составляет. Эта связь проявляется по-разному, в зависимости от того, как вы на нее смотрите. Но, может быть, проще всего подумать об этом с точки зрения энергии: существует баланс между потенциальной и кинетической энергиями.
Когда у вас есть куча объектов в галактике, притянутых одной общей массой, вы ожидаете, что некоторые из них движутся к вам, а некоторые удаляются от вас. Вы ожидаете, что чем больше общая масса, тем больше разница в скорости между теми, кто движется к вам и от вас быстрее всего. Астрономы иногда называют это дисперсией скорости, представляя распределение того, насколько быстро различные объекты движутся друг относительно друга.
В Млечном Пути дисперсия скоростей между шаровыми скоплениями велика, с общим диапазоном около ± 200-300 км / с, что аналогично скорости Солнца вокруг галактического центра. Но в NGC 1052-DF2 движения шаровых скоплений были настолько малы, что казалось, что там вообще очень мало массы, и практически нет места для темной материи.
Возможно, измерения ошибочны, но это не так. Также возможно, что внутри этих галактик действительно практически нет темной материи, но это сценарий, который бросает вызов теоретическим ожиданиям. Прежде чем мы заявим, что «измерения ошибочны» или «наши теории ошибочны», важно исключить наиболее вероятную причину в таких случаях: измерения правильные и темная материя действительно существует.
Если бы это было так, нам нужно было бы придумать независимый метод измерения темной материи.
Есть очевидный способ, которым измерения могли бы быть правильными, пока галактика все еще содержала темную материю: если бы шаровые скопления, которые мы наблюдали за движением, не представляли, как на самом деле движется материя в галактике. Из глубины Млечного Пути мы можем наблюдать шаровые скопления, равномерно распределенные по нему. Но если бы мы нашли только шаровые скопления, расположенные в самой дальней точке своей орбиты от центра NGC 1052-DF2, они были бы смещены в сторону искусственно заниженной дисперсии скоростей.
Непонятно, почему это так, но на расстоянии 65 миллионов световых лет NGC 1052-DF2 находится на неудобном расстоянии: прямо на пределе, на котором Хаббл может разрешать отдельные звезды. Поскольку галактика является сверхрассеянной, это измерение становится еще более сложным, но, собрав множество спектроскопических измерений по всей галактике и сложив их все вместе, вы сможете измерить дисперсию скоростей реальных звезд внутри галактики.
Это более прямое измерение массы галактики, чем измерения шарового скопления. Измеряя, как все звезды движутся внутри, мы можем лучше понять, как звезды внутри движутся относительно галактики в целом.
Вместо нескольких точечных измерений, которые мы используем для определения внутренней массы, у нас есть большой набор более непрерывных данных. В то время как шаровые скопления демонстрировали очень небольшое относительное движение, что указывало на небольшую массу и почти полное отсутствие темной материи, было сделано серьезное предположение: измерения, которые мы сделали для нескольких шаровых скоплений, отражали движение звезд внутри.
И когда ученые провели эти измерения, они обнаружили, что звезды внутри движутся относительно друг друга, в конце концов.
Эти результаты являются первым спектроскопическим анализом звезд внутри этой ультрадиффузной галактики, но показывают, что в конце концов существует дисперсия скоростей. Это всего лишь несколько процентов дисперсии скоростей Млечного Пути со скоростями ±16 км/с, но это нормально для сверхрассеянной галактики. Обновленные оценки массы, которые вы можете сделать, основываясь на звездах внутри галактики, а не только на нескольких шаровых скоплениях, указывают на то, что в конце концов внутри должно быть значительное количество темной материи.
Даже при небольшом разбросе скоростей от звезд всего ±16 км/с этого достаточно, чтобы поставить под сомнение предыдущие результаты об отсутствии темной материи. Кроме того, группа, проводившая эти измерения, провела два дополнительных измерения шаровых скоплений и улучшила измерения пяти других, что предполагает разброс внутренних скоростей ±10,5 км/с для этих 12 скоплений в целом.
Справедливо сказать, что галактики бывают самых разных форм, размеров, плотностей и масс. Несмотря на все, что мы знаем, нам еще предстоит многое узнать о том, как они формируются, развиваются и растут во Вселенной. Но всякий раз, когда вы делаете неожиданное наблюдение, первое, что вам нужно проверить, это то, подтверждается ли вывод, к которому оно вас приводит, когда вы делаете свое наблюдение, используя другой метод.
Эти новые наблюдения не доказывают существование темной материи, но они устраняют основную причину сомнений в этом. Вместо одного объекта, которому не хватает космического объяснения, теперь у нас есть объект, который согласуется с наблюдениями многих подобных объектов того же класса. NGC 1052-DF2 - интересный объект, заслуживающий дальнейшего изучения, но вряд ли у него вообще нет темной материи. Хотя наблюдения всегда будут нашим руководством, этот результат подчеркивает, насколько важно независимо проверить свою работу, прежде чем делать грандиозные революционные выводы.