Редкая ультрарассеянная галактика полна звезд и не более того. Вот как это понять.
Одной из величайших загадок во всей Вселенной является тайна темной материи. Теоретически на каждый кусочек нормальной материи (вроде нас) во Вселенной должно приходиться примерно в пять раз больше темной материи. И нормальная, и темная материя должны в равной степени испытывать гравитацию, а это означает, что крупнейшие структуры во Вселенной - галактики, скопления галактик и космические нити - должны содержать темную материю и находиться в ней. Когда мы измеряем движение отдельных галактик, как изолированных, так и в скоплениях, одной обычной материи недостаточно, чтобы объяснить то, что мы видим. Также требуется темная материя.
Но Вселенная также является жестоким местом, полным слияний, столкновений и космических столкновений. Некоторые из этих событий должны выбросить достаточное количество нормальной материи, чтобы создать новые маленькие галактики без темной материи: только с нормальной материей. Ученые считают, что впервые нашли такую галактику без темной материи, решив огромную космическую загадку.
Теоретически, темная материя должна быть почти идеально равномерно распределена по Вселенной, как и обычная материя, после Большого взрыва. Поскольку гравитация стягивает материю в комки, и нормальная материя, и темная материя ощущают на себе эти эффекты и стягивают друг друга и себя, образуя сверхплотные области. Однако когда формируются звезды, все меняется.
Нормальная материя сталкивается, взаимодействует и нагревается с другой нормальной материей. Он излучает свет и реагирует на радиационное давление. Темная материя не делает ничего из этого, вместо этого она остается в рассеянном ореоле. Когда происходит достаточно сильное событие - такое как взрыв звездообразования, столкновение массивных галактик или активное квазар - нормальное вещество может быть выброшено из галактик. Это может привести к беспрецедентному явлению: скоплению нормальной материи без темной материи.
Мы нашли много кусочков головоломки, согласующихся с этой картиной космической структуры. Мы обнаружили большие галактики и скопления галактик с универсальным соотношением темной материи и обычной материи: 5 к 1. Мы обнаружили галактики, такие как ESO 137-001 (выше), из которых был удален газ, и теперь они содержат долю темной материи, превышающую среднюю. Мы обнаружили карликовые галактики, из которых в процессе звездообразования была удалена большая часть обычной материи, что привело к тому, что соотношение темной материи достигло 600 000 к 1.
Но мы никогда не находили галактики, состоящей исключительно из обычной материи, без темной материи вообще. Среди самых маленьких карликовых галактик наша теория формирования структуры в холодной Вселенной, богатой темной материей, предсказывает, что некоторые из них должны состоять только из обычного вещества. В нашей местной группе таких галактик нет. Но за пределами нашей местной группы галактика NGC 1052-DF2 (известная для краткости как «DF2») просто может быть пресловутым недостающим звеном Вселенной.
Чтобы найти такую галактику, нужно заглянуть за пределы нашей Местной группы, в место, которое, возможно, пережило более крупные и многочисленные катастрофические события, чем мы видели. Вместо того, чтобы смотреть на большие яркие галактики, которые излучают больше всего света, мы хотели бы прочесать рассеянные окраины групп и скоплений галактик в поисках галактик с малой массой и низкой яркостью поверхности.
Это означает просмотр широкоугольного изображения части неба с чрезвычайно слабыми яркостями и выделение любых карликовых галактик, поведение которых отличается от других. Разработка телеобъектива Dragonfly, который недавно был модернизирован до 48 телеобъективов в двух кластерах, была сделана именно для этого. Когда в 2018 году он указал на массивную эллиптическую галактику NGC 1052, он обнаружил ряд окружающих ее карликовых галактик, в том числе самую необычную: DF2.
DF2 странная даже для карликовой галактики. Во-первых, он сверхрассеянный, без центрального ядра, спиральных рукавов и эллиптической структуры, напоминающей улей. Такой инструмент, как Dragonfly, оптимизирован для поиска подобных структур с такой низкой поверхностной яркостью; DF2 - одна из трех или четырех известных ультрадиффузных галактик. Он выглядит как надутый шар из звезд, и не более того.
Она окружена гало, населенным шаровыми скоплениями, но эти шаровые скопления странные: они в два раза больше, чем шаровые скопления, которые мы видим в других галактиках. Они тоже старые: прошло не менее 9 миллиардов лет с тех пор, как в них сформировались новые звезды. Но самое странное то, что движения звезд внутри него, а также движения шаровых скоплений вокруг него очень малы. Если бы темной материи было много, они бы двигались со скоростью ±30 км/с, плюс-минус немного. Но это совсем не то, что мы видим.
Первоначально шаровые скопления использовались для ограничения общей массы этой галактики, обнаружив, что внутренние движения были намного меньше, чем предсказывала темная материя. Было трудно получить фактические измерения; только верхний предел, который был ниже предсказаний стандартных моделей темной материи. Хотя сама галактика была намного меньше Млечного Пути, она все же была достаточно большой с почти миллиардом звезд внутри , чтобы быть загадочным исключением.
В Местной группе нет ничего похожего на эту сверхрассеянную галактику, и мы никогда не видели такой маленькой галактики, которая выглядела бы полностью лишенной темной материи. Если бы он состоял только из обычной материи, мы бы ожидали, что его внутренние движения будут показывать скорости около ± 6-8 км/с, что в то время было ниже предела измерений. Но, используя хитрую технику с инструментом MUSE, независимая команда сообщила, что они измерили дисперсию скоростей непосредственно от звезд и получили результат ±16 км/с, показывая, что в конце концов присутствовало значительное количество темной материи..
Но было ли это значение правильным? Я говорил с членами первоначальной исследовательской группы, и они утверждали, что инструмент MUSE, который они использовали, имел недостаточное спектральное разрешение для проведения этого измерения. Вам нужен лучший инструмент с меньшим полем зрения, чтобы получить что-то кроме верхнего предела, и именно поэтому они собирались использовать инструмент KCWI вместо MUSE.
Ранее в этом месяце они взяли свои данные, и ниже вы можете увидеть, что они нашли. Образец спектра из DF2 показан, полученный с помощью KCWI, с предполагаемым спектром из MUSE, нарисованным поверх него (красным цветом). Как хорошо видно, данные MUSE «сглажены» из-за недостаточного разрешения, что искусственно завышает их результаты.
Звезды и шаровые скопления движутся не со скоростью ±16 км/с, как указывала предыдущая группа, а со скоростью ±7-8 км/с. Измерив звезды напрямую, они обнаружили дисперсию звездных скоростей ±8,4 км/с, в то время как шаровые скопления дали немного меньшее значение ±7,8 км/с. Эти значения согласуются с тем, что вы ожидаете от массы звезд только внутри галактики; кажется, что внутри этой галактики вообще нет темной материи.
Шаровые скопления обнаруживаются дальше, чем звезды, примерно в 4 раза, где эффекты гало темной материи должны быть более значительными. Тот факт, что дисперсия скоростей между звездами и шаровыми скоплениями остается неизменной, по крайней мере, до наилучшего разрешения наших инструментов, указывает на то, что эта галактика может быть первым примером новой популяции, существование которой было предсказано теорией: ультрадиффузной, галактики без темной материи.
Возникает большой вопрос: является ли эта галактика причудливым выбросом или это просто первый пример многих подобных галактик, существующих во Вселенной. Мы знаем, что есть много способов отделить нормальную материю от темной материи, и что многие из этих механизмов должны приводить к образованию больших сгустков одной нормальной материи, полностью изолированных и отделенных от темной материи.
DF2 - первый пример такой галактики, эволюционировавшей и в более поздние времена, которая, по-видимому, не свободна от темной материи. Как пишут авторы в своей статье:
С этим подтверждением низкой дисперсии скоростей NGC1052-DF2 наиболее актуальным вопросом является то, является ли эта «проблема отсутствующей темной материи» уникальной для этой галактики или применима более широко.
Поскольку телескоп Dragonfly теперь планирует охватить все небо в течение следующего года, ожидается, что подобные близлежащие галактики могут ждать своего открытия.
Впервые мы идентифицировали и измерили галактику, которая, по-видимому, состоит только из обычной материи, и для объяснения ее движения не требуется ни темной материи, ни каких-либо модификаций гравитации. По иронии судьбы, открытие галактики без темной материи среди моря галактик, которым требуется ее огромное количество, помогает доказать достоверность богатой темной материей картины Вселенной. Только если нормальную материю можно отделить от темной материи и оставить для формирования собственных структур, такая галактика станет возможной.
Теперь мы подтвердили, что NGC 1052-DF2 является первой сверхрассеянной галактикой, внутри которой нет признаков темной материи, а ее внутренние движения можно объяснить только по звездам. Эта космическая странность все еще окружена тайнами и загадками, но с появлением новых и более качественных данных мы должны ожидать, что найдем еще много подобных вещей. Вселенная не перестает нас удивлять.