Переворот в космологии? Темная материя может существовать без галактик. Вот почему это возможно (и важно)

15 апр 2025, 12:06

Мы привыкли думать о космосе определенным образом. Вот галактика — яркая, полная звезд, газа, пыли. А вокруг нее, как невидимое одеяло, — гало из таинственной темной материи. Гравитация этой темной материи, как считается, и собрала воедино всю видимую красоту, став колыбелью для звезд. Логично? Вполне. Но что, если эта картина неполная?

Представьте себе обратную ситуацию. Не галактику без темной материи (об этом тоже спорят), а само гало темной материи — огромное, массивное — но совершенно пустое внутри. Без единой звезды, без привычной нам галактики в центре. Словно гигантские полые «пасхальные яйца», дрейфующие в космической пустоте. Звучит немного странно, правда?

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

А почему бы и нет? Переворачиваем привычные представления

Именно таким интригующим вопросом задался Итан Надлер, астрофизик-теоретик из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Обычно как рассуждают? Темная материя сбивается в комки, ее гравитация притягивает газ, газ остывает, вспыхивают звезды — рождается галактика. Все это «хозяйство» потом живет внутри пузыря из темной материи. Но Надлер копнул глубже: а всегда ли этот процесс звездообразования обязан запуститься?

Раньше думали, что есть некий порог массы. Если гало темной материи меньше, скажем, 100 миллионов или даже миллиарда масс нашего Солнца, то гравитации может и не хватить, чтобы зажечь звезды. Такие «неудачливые» гало могли бы остаться темными. Но это делало бы их довольно редкими экзотами.

А теперь — самое интересное. Надлер пересчитал этот порог. Он учел не только простейший атомарный водород, но и его молекулярную форму (когда два атома водорода соединяются). Оказалось, что молекулярный водород остывает эффективнее! А это значит, что звезды могли бы рождаться в гало массой всего в миллион солнечных масс (по меркам ранней Вселенной). Миллион, а не сто миллионов! Чувствуете разницу?

Со временем эти гало, конечно, набирали бы вес, подрастая до 10 миллионов солнечных масс к нашему времени. А те, что были еще меньше? Им бы тоже хотелось расти, но вот незадача: свет от уже сформировавшихся, более «успешных» соседних галактик просто «стерилизовал» бы их, не давая газу остыть и запустить звездообразование.

Пороги массы гало для звездообразования. Толстая синяя линия (учитывающая охлаждение H₂) показывает нашу референсную модель NGM23 с относительной скоростью потоков темной материи и барионов υstr(z) = σstr(z). Толстая оранжевая линия (не учитывающая охлаждение H₂) показывает нашу референсную модель BF20 с zreion = 7. Заштрихованные полосы показывают предполагаемый разброс в 0.2 dex по логарифму критической массы (log (Mcrit(z))). Пределы, учитывающие только охлаждение H₂ и H I из модели NGM23, показаны пунктирными синей и оранжевой линиями соответственно.
Автор: Ethan O. Nadler 2025 ApJL 983 L23 Источник: iopscience.iop.org

Так значит, их полно? Темных и невидимых?

Если расчеты верны, то получается, что таких «пустых» гало может быть гораздо больше, чем мы думали. Теоретические модели темной материи, кстати, как раз и предсказывают, что мелких сгустков должно быть намного больше, чем гигантских. Так что, с точки зрения теории, существование этих «пасхальных яиц» очень даже вероятно. Может, их там целые россыпи!

«Хорошо», скажете вы, «пусть себе летают. Они же темные, невидимые. Какое нам до них дело?» А вот тут начинается самое любопытное.

Невидимы, но не бесплотны: гравитация все выдает

Да, темная материя не светится и не взаимодействует со светом (по крайней мере, так, чтобы мы это заметили). Она составляет львиную долю всей массы во Вселенной — примерно в пять раз больше, чем вся привычная нам материя: звезды, планеты, мы с вами, даже соседский кот. Пять к одному, задумайтесь!

И хотя она невидима, у нее есть масса. А масса — это гравитация. Именно по гравитационным эффектам мы и догадываемся о ее существовании. Галактики вращаются не так, как должны были бы, будь там только видимое вещество. Скопления галактик удерживаются вместе силой, которую не объяснить одними лишь звездами и газом.

Так вот, эти «пустые» гало, хоть и беззвездные, все равно обладают массой. А значит, они тоже участвуют в гравитационном танце Вселенной. Они влияют на движение обычной материи, на структуру космической паутины. Понять, сколько их и какие они, — значит лучше понять, как устроена наша Вселенная на самых мелких масштабах.

Слева: медианная доля населенности галактиками для субгало Млечного Пути, предсказанная с использованием нашего моделирования аналога Млечного Пути. Результаты показаны с использованием моделей Mcrit(z) NGM23 (синий) и BF20 (оранжевый). Заштрихованные полосы показывают квантили 16%-84% из бутстрэп-выборки. Темные (светлые) серые полосы показывают 68% (95%) доверительный интервал для апостериорного распределения fgal для спутников МП из работы E. O. Nadler и др. (2020); тонкая серая линия показывает медиану, а пунктирная вертикальная красная линия показывает предел разрешения из этой работы. Пунктирная черная линия показывает fgal из полуаналитической модели N. Ahvazi и др. (2024), которая включает охлаждение H₂. Справа: истории набора массы (MAH) для субгало с 6 x 107 M⊙ < Mpeak < 3 x 108 M⊙, раскрашенные в зависимости от того, превышают ли они Mcrit из BF20 (оранжевый), NGM23 (синий), или ни одну из них (пунктирный серый), где обе модели Mcrit(z) были уменьшены на σlog(M).
Автор: Ethan O. Nadler 2025 ApJL 983 L23 Источник: iopscience.iop.org

Охота на призраков: как поймать невидимку?

Задачка, прямо скажем, не из легких. Обычно мы ищем темную материю по ее влиянию на видимые объекты — звезды, газ в галактиках. А тут — внутри гало ничего нет! За что зацепиться?

К счастью, у Вселенной есть свои хитрости. И одна из них — гравитационное линзирование. Идея, предсказанная еще Эйнштейном, проста: массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Свет от далеких источников, проходя мимо такого объекта, тоже искривляется — как будто проходит через невидимую линзу. Иногда это приводит к тому, что мы видим искаженные, умноженные или усиленные изображения далеких галактик.

И вот тут-то наши «пустые» гало могут себя выдать! У них есть масса? Есть. Значит, они могут работать как гравитационные линзы. Если астрономы видят странные эффекты линзирования, которые нельзя объяснить видимыми галактиками или скоплениями, — возможно, это и есть след невидимого, беззвездного гало темной материи.

Сравнение предсказаний fgal для родительского гало (хоста), использованного в данной работе (Halo004, сплошная линия), хоста, использованного в работе E. O. Nadler и др. (2020; Halo416, пунктирная линия), и хостов, использованных в работе V. Manwadkar & A. V. Kravtsov (2022; Caterpillar-4, штрихпунктирная линия, и Caterpillar-53, точечная линия). Halo004 и Halo416 показаны с «низким разрешением», описанным в Приложении D, которое сравнимо с разрешением LX14 для хостов Caterpillar. Результаты показаны только для модели BF20 (оранжевый). Оранжевая заштрихованная полоса показывает квантили 16%-84% из бутстрэп-выборки результата Halo004 с низким разрешением (LR). Серая заштрихованная область показывает апостериорное распределение из работы E. O. Nadler и др. (2020).
Автор: Ethan O. Nadler 2025 ApJL 983 L23 Источник: iopscience.iop.org

Что на кону? Ни много ни мало — проверка основ космологии

Телескопы нового поколения, вроде «Джеймса Уэбба» и будущей обсерватории Веры Рубин, как раз достигают нужной чувствительности, чтобы попытаться разглядеть эти гравитационные «подписи» от относительно небольших гало (тех самых, порядка 10 миллионов солнечных масс). Есть надежда, что в ближайшее десятилетие мы наконец получим ответ: существуют ли эти «пасхальные яйца» или нет.

Почему это так важно? Это не просто любопытство. Обнаружение (или, наоборот, не обнаружение) этих объектов станет серьезнейшей проверкой наших фундаментальных представлений о Вселенной. Существование таких гало хорошо укладывается в стандартную космологическую модель (ту самую, с «холодной» темной материей, Лямбда-CDM).

А вот если их не найдут там, где предсказано? Это будет сильным аргументом в пользу альтернативных теорий. Может, темная материя не такая уж «холодная»? Может, она «теплая», или «пушистая» (есть и такая экзотическая гипотеза!), или даже взаимодействует сама с собой? Поиск этих невидимок — это, по сути, способ заглянуть в самую суть темной материи и понять, как зарождались первые структуры во Вселенной.

Так что в следующий раз, глядя на звездное небо, помните: самая большая часть Вселенной остается скрытой от наших глаз. И, возможно, прямо сейчас мимо нас проплывают гигантские невидимые «яйца», хранящие ключи к разгадке величайших космических тайн. Захватывающая перспектива, не так ли?

Опубликовано: Мировое обозрение Источник