Дивні галактики можуть бути проривом у дослідженні темної матерії

Так само, як за бризками води можна дещо дізнатися про камінь, який кинули у ставок, астрономи можуть вивчати загадкову субстанцію під назвою “темна матерія” лише за тим, як вона впливає на навколишні об’єкти. Безпосередньо побачити її неможливо, але можна досліджувати, як її гравітація впливає на народження, форму та рух галактик. Саме тому відкриття минулого року стало таким неочікуваним: вчені вперше побачили галактику, яка, здається, узагалі не містить темної матерії.

 


NGC 1052-DF2, аномальна галактика, в якої майже немає темної матерії.

 

Хоча одні дослідники назвали знахідку проривом, інші висловили у ній сумнів, критикуючи методи вимірювання відстані до галактики та її руху. Ставки справді високі: якщо виявиться, що галактика дійсно позбавлена темної матерії, це стане ще одним вагомим аргументом на користь її існування. Невдовзі команда астрономів, що зробила відкриття, навела ще один вагомий аргумент, а саме виявила ще одну таку галактику. “Якщо ви побачите один незвичний об’єкт, то можете назвати його єдинорогом, але якщо побачите вже два таких об’єкти, то, мабуть, серйозно задумаєтесь, що єдинороги справді існують, — вважає Майкл Бойлан-Колчін, астроном з Університету Техасу в Остіні, який не брав участі в дослідженні. — А згодом вас вже цікавитимуть питання, як вони туди потрапили, які їхні властивості, як часто вони трапляються тощо”.

 

Дві галактики є дуже тьмяними і віддаленими від Землі. Фотони з їхніх зір почали свою подорож до Землі десь 65 млн років тому, тобто в останні роки існування динозаврів. Перша виявлена галактика отримала назву NGC 1052-DF2. Її розмір приблизно такий самий, як у Чумацького Шляху, але в ній є тільки 1% від кількості зірок у нашій галактиці. Наступна, яку назвали NGC 1052-DF4, розташована у тій самій ділянці неба і має приблизно такий самий розмір. Абревіатура “DF” у назві означає, що їх відкрили за допомогою багатолінзового масиву Dragonfly Telephoto Array, що спеціалізується на пошуку і детектуванні тьмяних об’єктів.

 

Минулого березня дослідники на чолі з Шені Деніелі та Пітером Доккумом з Єльського університету опублікували дослідження, у якому виміряли ключові параметри NGC 1052-DF2 на основі спостереження за світлом її зір та рухом зоряних кластерів, які її оточують. Якби у DF2 було стільки темної матерії, скільки можна очікувати для такої галактики, то її гравітація мала б сильно прискорити обертальння цих зоряних кластерів. Їх дещо “незґрабний” рух, однак, свідчить про те, що темна матерія майже повністю відсутня. Критики на це відповіли, що швидкості цих зоряних кластерів, скоріше за все, були обчислені неправильно, і навіть якщо розрахунки точні, то вибірки із всього лиш десяти таких об’єктів недостатньо для надійного висновку про відсутність темної матерії у DF2.

 

В жовтні минулого року Деніелі додала надійності своїм дослідженням, використавши Keck Cosmic Web Imager, новий інструмент, який встановили за 10-метровим основним дзеркалом телескопа КЕК-2 на Гаваях. Інструмент може вимірювати світло від тьмяних об’єктів з дуже високою роздільною здатністю, що робить його ідеальним інструментом для спостереження за ультрадифузними галактиками на кшталт NGC 1052-DF2. Keck Cosmic Web Imager пригодився настільки, що Деніелі навіть не було потрібно вивчати рух кластеру зірок — вона змогла розрахувати масу галактики прямолінійно, лише на основі світла її зір.

 

Світло зорі приховує в собі багато цікавої інформації. Розкладаючи його на кольори — метод, що називають спектроскопією, — вчені можуть визначити склад зорі, її вік, напрямок, в якому вона рухається, та швидкість. Більшість цієї інформації закладено в спектральних лініях, які утворюються під час випромінювання чи поглинання різних хімічних елементів. Keck Cosmic Web Imager визначив спектри для приблизно 10 млн зірок в галактиці DF2. За діапазоном між найшвидшими та найповільнішими зорями можна визначити, скільки матерії взаємодіє з ними. Що більша маса матерії — як темної, так і звичайної, — то більший діапазон швидкостей руху зір. “На наш подив, ми виявили лише дуже вузькі спектральні лінії, які майже не залишають місця для додаткової маси, окрім тієї, якою галактика завдячує своїм зорям”, — каже Деніелі. Тобто розподіл маси вказує на відсутність у NGC 1052-DF2 темної матерії.

 

Тим часом астроном Ерік Емселлем з Європейської південної обсерваторії та його колеги спостерігали за тією самою галактикою у дуже великий телескоп в пустелі Атакама в Чилі. Вони також виявили низький діапазон швидкостей, що підтверджує сценарій відсутності в галактики темної матерії.

 

Одним із критиків оригінальної публікації виступив астроном зі Страсбурзького університету у Франції Ніколас Мартін. Основні його аргументи полягали в тому, що надто складно оцінити масу галактики лише за рухом навколишніх зоряних кластерів. Але, побачивши наступні дослідження Деніелі та Емселлема, Мартін сказав, що вони його переконали. “Це вражаючі результати, які стали доступними лише завдяки новим інструментам, які встановили на передові телескопи планети, — стверджує він. — Минулого року я не був готовим сказати, що ця зоряна система незвична, оскільки відчував, що даних недостатньо для такого висновку. Але тепер, коли вже дві команди дійшли такого самого висновку, я й справді думаю, що це аномалія”.

 

Деніелі презентували свої результати на конференції, присвяченій проблемам темної матерії, що відбулась минулого тижня в Прінстонському університеті, і подала їх до The Astrophysical Journal Letters для рецензування та публікації.

 

В іншій статті вона описала галактику DF4, яку разом з кількома колегами спостерігала в космічний телескоп “Габбл” минулого року. Вивчаючи рух семи зоряних кластерів, які обертаються навколо DF4, Деніелі та її колеги встановили, що “млявість” їх руху вказує на те, що в цій галактиці або дуже мало темної матерії, або її взагалі немає. Ці фактори, а також майже синхронне відкриття DF2 та DF4 в одній і тій самій ділянці неба, наштовхують на думку, що має існувати цілий клас таких галактик.

 

Чимало астрономів непокоїть питання, як такі галактики могли утворитися і куди з пропала їхня темна матерія. Одне пояснення полягає в тому, що її "витягла" гравітація більшої галактики, вважає Бойлан-Колчін. Або ж, можливо, DF2 і DF4 – це взагалі не галактики, а лише великі кластери зірок, які маскуються під галактики. Такі кластери могли сформуватися із потоків газу, які утворилися в сусідніх галактиках. Можуть існувати і буденні пояснення, наприклад, похибка вимірювання, зумовлена орієнтацією галактики відносно Землі. “Результати справді дуже інтригують, але не можна відкидати якогось приземленого пояснення, наприклад, що це може бути хибний кут або щось схоже”, — вважає Мартін.

 

Одне ясно: якщо вдасться довести з надійним ступенем достовірності, що в цих галактиках таки справді є нестача темної матерії і цю річ можна відокремити від зірок, газу, пилу та звичайної матерії, то це стане ще одним важливим підтвердженням її існування.

 

Попри численні спроби, ще ніколи не вдавалося детектувати частки темної матерії, що наштовхнуло астрофізиків на пошук альтернативних пояснень формування і руху галактик, наприклад, гіпотези “емерджентної гравітації” (emergent gravity) чи “модифікованої динаміки Ньютона”. Прихильники таких ідей стверджують, що формування галактик, яке більшість астрономів пов’язує з темною матерією, може насправді бути феноменом, який постає із якоїсь невідомої фізики. Tакі галактики як NCG 1052 DF2 та DF4, наприклад, можуть підкорятися якійсь альтернативній гравітації. Однак жодна з цих гіпотез, окрім темної матерії, не витримує серйозної перевірки.

 

Стейсі МакГог, астроном з Західного резервного університету Кейса та прихильник деяких альтернативних пояснень, зазначає, що вимірювання діапазону швидкостей Емселлема майже вдвічі більше, ніж у Деніелі. “Ми досі чекаємо на остаточне розв’язання загадки цих двох галактик. Я б хотів побачити узгодженість в даних. Але дані узгоджуються з самими зірками, без темної матерії, і саме це робить їх особливо цікавими. Тепер потрібно спитати: Як сформувалися такі галактики? Чи вони існують завдяки якійсь внутрішній властивості? Моє відчуття підказує, що ні”.

 

Незабаром, можливо, появляться нові відповіді. Деніелі зазначає, що її команда вже шукає інші карликові галактики, позбавлені темної матерії. “Можливо, ці об’єкти розповідають щось достеменно нове про темну матерію, але нам потрібно спершу виявити більшу їхню кількість і дослідити їх детальніше”, — каже вона.

 


Rebecca Boyle
Ghostly Galaxies Hint at Dark Matter Breakthrough
Scientific American, 25/01/2019
Зреферував Є. Л.

 

28.01.2019