Тайна разгадана: как сделать галактики без темной материи

Из всех известных нам галактик лишь в нескольких маленьких отсутствует темная материя. Наконец-то мы понимаем почему.

Ключевые выводы

• По всей Вселенной темная материя обеспечивает ~85% массы крупнейших космических структур, по сравнению с примерно 15% массы обычной материи.
• От отдельных галактик до больших групп и скоплений и паутинообразной природы самой большой структуры из всех, почти во всем, что мы видим, преобладает темная материя.
• Небольшие галактики, однако, отличаются, поскольку звездообразование обычно выбрасывает часть обычной материи, создавая среду, богатую темной материей. Так почему же у нас есть несколько маленьких галактик, в которых вообще нет темной материи? Наконец-то мы знаем.

Вот кое-что для размышления, которое может заставить вас почесать затылок в недоумении: несколько лет назад были обнаружены первые галактики без темной материи, и это помогает доказать существование темной материи. Это может быть самым нелогичным выводом, который вы можете себе представить, поскольку определяющими характеристиками темной материи являются:

• это везде,
• это массивно,
• его больше в соотношении 5 к 1, чем обычного вещества,
• и это основная движущая сила формирования космических структур во всех масштабах.

В каждой крупномасштабной структуре, которую мы видим, включая большие спиральные галактики, гигантские эллиптические галактики, группы галактик, богатые скопления галактик и даже великую космическую паутину, темная материя доминирует над тем, что находится снаружи, обеспечивая феноменальная связь между теорией и наблюдением.

И тем не менее, есть галактики - немного, и это лишь несколько из самых маленьких - которые, как было обнаружено, практически не содержат темной материи. Это может звучать как «ошибка» в теории темной материи, но на самом деле это особенность. Есть только два вероятных способа создать галактику без темной материи во Вселенной, изобилующей ею, и первое моделирование, по-настоящему проверяющее правдоподобие обоих механизмов, показало, что один из них фактически воспроизводит то, что мы видим, с экстремальной точностью. точность. Это триумф теории темной материи; вот наука о том, как все это работает.

Первоначальные флуктуации, которые были отпечатаны в наблюдаемой Вселенной во время инфляции, могут проявляться только на уровне ~0,003%, но эти крошечные несовершенства приводят к флуктуациям температуры и плотности, которые проявляются на космическом микроволновом фоне. и это порождает крупномасштабную структуру, которая существует сегодня.

Шаг 1: Гравитация

В начале горячего Большого взрыва Вселенная была горячей, плотной, наполненной материей и излучением и почти - но не совсем - идеально однородной. Это последнее свойство жизненно важно, поскольку, если бы оно было абсолютно одинаковым повсюду, каждая область испытывала бы точно такое же гравитационное притяжение, как и любая другая область пространства. Но даже с крошечными несовершенствами у вас будут сверхплотные области, которые предпочтительно притягивают к себе больше материи, чем другие, а также недостаточно плотные области, которые отдают свою материю более плотным окружающим областям.

Наша Вселенная, насколько мы можем судить, была рождена с идеальной однородностью 99,997%, с областями недостаточной и сверхплотной плотности, которые отклонялись всего на ~0,003% от среднего значения: примерно 1 часть из 30., 000. Тем не менее, этого достаточно, и через несколько сотен миллионов лет звезды и галактики начали формироваться, вырастая из этих первоначальных зародышей структуры. Материя, как нормальная, так и темная, притягивается к самым плотным близлежащим областям, создавая нитевидную структуру массы, известную как космическая паутина, разделенную огромными пустотами. Галактики формируются вдоль волокон, а в местах пересечения волокон образуются более крупные структуры, такие как группы галактик, скопления и даже сверхскопления.

Космическая паутина управляется темной материей, которая могла возникнуть из частиц, созданных на ранней стадии Вселенной, которые не распадаются, а остаются стабильными до наших дней. Наименьшие масштабы разрушаются первыми, в то время как более крупным масштабам требуется более длительное космическое время, чтобы стать достаточно плотными, чтобы сформировать структуру. Пустоты между взаимосвязанными нитями, видимые здесь, все еще содержат материю: нормальную материю, темную материю и нейтрино, все из которых притягиваются. Формирование космической структуры также приводит к возникновению галактик, и, сравнивая наши ожидания с наблюдениями, мы действительно можем проверить наше понимание космоса./Оливер Хан)

Шаг 2: Формирование звезд

На ранних стадиях формирования структуры гравитация одинаково относится к обычной материи и темной материи: они обе имеют массу и, следовательно, на них действуют одни и те же силы. Но как только вы начинаете создавать большие скопления масс, вы получаете гравитационно связанные структуры, и это все меняет.

Когда частицы темной материи связываются, они просто вращаются вокруг своей гравитации без каких-либо других взаимодействий. Нет взаимодействия с фотонами; нет столкновений между частицами темной материи и частицами нормальной материи; не ожидается взаимодействия темной материи с темной материей; нет никаких ядерных реакций, которым подвергается темная материя. Насколько мы можем судить, отличительной особенностью темной материи является то, что она невидима абсолютно во всех отношениях, за исключением того факта, что она имеет массу и испытывает гравитацию. Вот и все.

Нормальная материя, с другой стороны, состоит из «вещества», с которым мы знакомы: электронов и атомных ядер, по большей части. Когда нормальная материя становится связанной, она испытывает всевозможные взаимодействия помимо гравитации. Радиация может оказывать давление на нормальную материю; нормальная материя может сталкиваться с другими частицами нормальной материи и слипаться; а при достаточно высоких температурах и плотностях могут происходить даже ядерные реакции. В то время как темная материя остается в пухлом, рассеянном сфероидальном гало, окружающем каждую галактику, нормальная материя в конечном итоге опускается к ядру и начинает формировать звезды, как только в одном месте соберется достаточно массы.

В видимой нами космической паутине, самой крупномасштабной структуре во всей Вселенной, преобладает темная материя. Однако в меньших масштабах барионы могут взаимодействовать друг с другом и с фотонами, что приводит к образованию звездной структуры, но также приводит к излучению энергии, которая может быть поглощена другими объектами. Ни темная материя, ни темная энергия не могут решить эту задачу.

Шаг 3: Теперь готовим

До этого момента, несмотря на то, что нормальная материя собиралась в центрах этих ранних структур, а темная материя оставалась рассеянной, почти каждая структура - как в малых, так и в больших масштабах - имела одно и то же универсальное соотношение темной материи к нормальной материи: 5 к 1, такое же соотношение, как и общее космическое изобилие.

Но как только формируются звезды, все меняется.

Причина проста и очевидна - радиация. В их ядрах ядерные реакции превращают небольшой, но значительный процент массы звезды в энергию, и эта энергия излучается. Нормальная материя может поглощать это излучение, заставляя его нагреваться, но темная материя не может. Самые массивные звезды выполняют двойную функцию:

• они испускают наибольшее количество излучения самой высокой энергии, которое может создавать ветры, достаточно сильные для ускорения обычной материи до огромных скоростей,
• и они также имеют самые короткие жизненные циклы, многие из которых завершаются чрезвычайно энергетическими событиями, такими как сверхновые с коллапсом ядра.

Это излучение воздействует на обычную материю, отталкивая большую ее часть от центра, но не влияет на темную материю. Только изменяющаяся гравитационная конфигурация обычной материи влияет на темную материю: вторичный и субдоминантный эффект.

На этом крупном плане Мессье 82, галактики Сигара, видны не только звезды и газ, но также перегретые галактические ветры и растянутая форма, вызванная взаимодействием галактики с ее более крупным и массивным соседом: М81. M82 достаточно велик и достаточно массивен, чтобы удерживать свою обычную материю во время этого процесса; меньшая галактика с меньшей массой потеряла бы ее, став в процессе богаче темной материи, чем в среднем.)

Если ваша звездообразующая галактика большая и массивная, это мало что меняет. Конечно, обычное вещество будет выталкиваться из центра, но сочетание газа во внешнем гало и большой общей массы галактики предотвратит выход этого вещества из-за совместного трения и гравитации.

Однако, если вы сформируете достаточное количество звезд - особенно достаточно массивных звезд - и масса вашей галактики достаточно мала, крупный эпизод звездообразования может полностью вытеснить обычную материю, которая обычно присутствует в галактике. формы газа, пыли и плазмы. Все, что у вас осталось бы после того, как фейерверк утихнет, - это звезды, которые вы сформировали во время той начальной волны, встроенные в ореол темной материи. Остальная часть нормальной материи была бы возвращена в межгалактическую среду: пространство между галактиками.

Как правило, вы ожидаете, что вы увидите такое же соотношение темной материи и обычной материи 5 к 1 во всех крупномасштабных космических структурах, но затем, как только вы опуститесь до критического размера или массы, вы ожидаете, что отношение темной материи к нормальной материи будет увеличиваться, причем у галактик с наименьшей массой соотношение будет наиболее сильно искаженным. В самых крайних случаях мы можем получить соотношение темной материи к нормальной материи, равное сотням или даже тысячам к одному.

Многие близлежащие галактики, включая все галактики местной группы (в основном сгруппированные в крайнем левом углу), демонстрируют связь между их массой и дисперсией скоростей, которая указывает на присутствие темной материи. NGC 1052-DF2 - первая известная галактика, которая, по-видимому, состоит только из обычного вещества, и к ней позже присоединилась DF4 в начале 2019 года. Однако такие галактики, как Segue 1 и Segue 3, расположены очень высоко и сгруппированы слева от этой диаграмма; это самые богатые темной материей галактики из известных: самые маленькие и маломассивные.

Шаг 4: необычные примеры

Конечно, так бывает только в среднем. Во Вселенной такого размера, с триллионами галактик и секстиллионами звезд, у вас будут некоторые выбросы, и именно здесь часто скрываются самые интересные научные уроки. Важный ингредиент, который нам нужно добавить, заключается в следующем: галактики взаимодействуют, и гравитация будет притягивать галактики в больших масштабах, образуя группы галактик и скопления галактик.

Одна из замечательных вещей, которые мы наблюдали за последние два десятилетия, прежде всего благодаря сочетанию рентгеновского излучения (которое отслеживает газ, нагревающийся из-за слияний) и картографирования с помощью гравитационного линзирования (которая описывает общую массу, независимо от того, из какого типа материи она состоит), заключается в том, что гравитационные взаимодействия могут отделить обычную материю от темной материи.

Взаимодействующие галактики также образуют звездные потоки, где приливные силы могут полностью вырывать облака газа из галактик, заставляя их сжиматься и испытывать массивную волну звездообразования. Без темной материи в этих объектах эта волна звездообразования может эффективно вытеснить оставшуюся нормальную материю, оставив только звезды - и никакой нормальной или темной материи - в этих гравитационно связанных структурах.

Когда галактики, такие как спиральная галактика справа, D100, движутся через богатую среду, трение с окружающей средой может вызвать выделение газа, что приводит к образованию звезд и увеличению содержания темной материи до нормального соотношение материи родительской галактики. Некоторые из этих ободранных звездных скоплений, которые формируются, следуя за галактикой, могут позже преобразоваться в собственную галактику, свободную от темной материи, и У. Крамер и Дж. Кенни (Йельский университет))

Также возможно разделить обычную материю и темную материю с помощью другого механизма: небольшая, богатая темной материей галактика испытывает гравитационное столкновение с более крупной и массивной галактикой. В этом сценарии большая галактика разорвет меньшую на части, но сделает это снаружи внутрь. Поскольку темная материя распределена в виде диффузной, пушистой, похожей на облако структуры, а нормальная материя сосредоточена в центре галактики, темная материя удаляется первой, оставляя только нормальную материю.

Основное различие между этими двумя сценариями заключается в том, как долго эти объекты будут существовать. В первом примере эти структуры, состоящие только из звезд, могут сохраняться до тех пор, пока не вступят в достаточно сильное взаимодействие с другой галактикой, а это значит, что однажды созданные они могут сохраняться сотни миллионов или даже миллиарды лет. Однако во втором примере эти меньшие галактики находятся в процессе разрыва, и то, что мы могли бы наблюдать как «галактику без темной материи», является временным явлением. Только потому, что нам посчастливилось посмотреть на критический снимок во времени, мы можем поймать эти галактики, когда они переходят от преобладания темной материи к полному разрыву на части.

Галактика NGC 1052-DF4, одна из двух галактик-спутников NGC 1052, которая, как установлено, лишена внутренней темной материи, демонстрирует некоторые признаки того, что она была разрушена приливом; эффект, который легче увидеть на панели справа, после точного моделирования и удаления окружающих источников света. Галактики, подобные этой, вряд ли проживут долго в богатой окружающей среде без удерживающей их вместе темной материи.

Наблюдения

С точки зрения наблюдений, мы нашли несколько таких галактик. Первые две, NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4, две сверхдиффузные галактики-спутники большой, относительно близкой галактики NGC 1052, были обнаружены первыми: с помощью телеобъектива Dragonfly. Совсем недавно были обнаружены шесть новых галактик, в которых также отсутствует темная материя, также поблизости, а также в качестве небольших галактик-спутников, обнаруженных вблизи гораздо более крупных соседей.

Большой вопрос, конечно, почему?

Учитывая, что мы можем наблюдать за этими галактиками только такими, какие они есть прямо сейчас - единственный снимок в космическом времени - наблюдения сами по себе могут рассказать нам не так много. Чтобы понять, почему у нас есть галактики, в которых отсутствует темная материя, требуется применение другой техники: попытаться смоделировать Вселенную, от больших космических масштабов до малых, которые охватывают поведение как нормальной, так и темной материи в этих различных « сценариев взаимодействия» и посмотреть, какие из них, если таковые имеются, соответствуют имеющимся у нас наблюдениям. В обзорной статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy 14 февраля 2022 года, группа исследователей во главе с Хорхе Морено добилась именно этого.

Впервые в результате космологического моделирования были получены галактики с дефицитом темной материи, которые соответствуют нашим наблюдаемым галактикам, в которых отсутствует темная материя, по широкому спектру свойств. В будущем более качественные наблюдения и большие наборы данных позволят надежно проверить эти прогнозы и определить эффективность моделирования.

Ключевой результат

Потребовалось современное космологическое моделирование, которое включало темную материю, газ, звездообразование, обратную связь излучения, инжекцию энергии сверхновых и невероятно высокое разрешение по массе, чтобы найти решение. Исследователям нужно было быть особенно осторожными - возможно, более дотошными, чем любая исследовательская группа, занимающаяся космологическим моделированием, - в выявлении даже незначительной избыточной плотности в малых масштабах, чтобы определить, где формируются галактики в их симуляциях.

Примечательно, что они обнаружили, что существует набор условий, которые не только привели к возникновению галактик без темной материи, но и что эти галактики обладают свойствами, совместимыми с галактиками без темной материи, которые мы исследовали. действительно наблюдается в нашей реальной Вселенной. У них было похожее:

• звездные массы,
• физические размеры,
• физические формы (то, что астрономы называют морфологией),
• и скорости внутреннего движения их звезд (астрономы называют это дисперсией скоростей).

Ключевым фактором является чрезвычайно близкое сближение двух разных галактик, по крайней мере одна из которых большая и массивная: сравнима, по крайней мере, с массой Млечного Пути.

В группах и скоплениях галактик, в центрах которых была по крайней мере одна массивная галактика, они обнаружили, что значительная часть этих групп, примерно треть из них, обладала по крайней мере одной галактикой-спутником, сравнимой по массу в одно из наших Магеллановых Облаков, которое либо не содержало темной материи, либо имело существенный дефицит темной материи.

В отличие от других космологических симуляций. чьи результаты показаны оранжевым пятиугольником и синим шестиугольником, это текущее моделирование, проведенное Moreno et al. фактически воспроизводит галактики с дефицитом темной материи, которые впервые согласуются с наблюдаемыми галактиками с дефицитом темной материи NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4.

Следующие шаги, конечно же, будут предприняты с помощью растущего набора телескопов следующего поколения, которые оптимизированы для обнаружения и измерения свойств галактик-спутников вокруг больших галактик в относительно близкой Вселенной. В то время как в большинстве галактик с преобладанием темной материи отношение темной материи к нормальной материи будет 5:1 или больше, это новое исследование не только выявило механизм образования галактик с малой массой, в которых преобладает нормальная материя, а не темная материя. но сделал прогнозы относительно их ожидаемой численности, свойств и расстояний от принимающих их галактик. Только время и будущие наблюдения подтвердят, верны эти предсказания или нет.

Однако ясно одно: если вы хотите, чтобы во Вселенной были галактики одного масштаба, которые бывают двух видов:

• темная материя преобладает,
• и с дефицитом темной материи или даже без темной материи,

вы не можете сделать это без какой-либо формы темной материи. Наличие обоих типов галактик возможно только в том случае, если существует темная материя и существует физический механизм для отделения нормальной материи от темной материи. Впервые у нас есть не только демонстрация именно этого, но и галактики с дефицитом темной материи и без темной материи, существование которых предсказано в результате моделирования, на самом деле согласуются с галактиками, которые мы наблюдаем в реальной жизни.