Найдена первая галактика из темной материи: результаты наблюдений Cloud-9 телескопами FAST и Хаббл

Астрономы получили наблюдательные доказательства существования класса объектов, который ранее присутствовал только в теоретических расчетах. Речь идет о RELHIC (Reionization-Limited HI Cloud) — малых гало темной материи, заполненных газом, но не содержащих звезд.

В исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal Letters в ноябре 2025 года, группа астрофизиков представила анализ объекта Cloud-9 — структуры, которая состоит из темной материи и газа, но практически полностью лишена звезд. Это открытие подтверждает гипотезу о существовании обширного класса «неудавшихся» галактик, которые остаются невидимыми для оптических телескопов.

Теоретический предел формирования галактик

Согласно современным представлениям, первичная Вселенная была заполнена темной материей, которая под действием гравитации собиралась в комки (гало) различной массы. Эти гало притягивали к себе обычное барионное вещество — газ (в основном водород).

В крупных гало гравитация настолько сильна, что газ быстро сжимается, нагревается и запускает термоядерные реакции, приводя к рождению звезд. Так появляются галактики. Однако этот процесс не универсален.

Ключевым фактором является эпоха реионизации — период в ранней Вселенной (спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва), когда излучение первых массивных звезд и квазаров ионизировало и нагрело межгалактический газ до высоких температур.

Для самых маленьких гало темной материи это событие стало фатальным. Их гравитационное поле было слишком слабым, чтобы удержать нагретый газ. Газ, обладая высокой тепловой энергией, просто покидал такие гало, оставляя их пустыми и темными.

Однако теория предсказывала существование пограничного, промежуточного состояния. Расчеты показывали, что должны существовать гало с массой, достаточной для удержания нагретого газа, но недостаточной для его сжатия в звезды. В таких объектах устанавливается хрупкое равновесие: сила гравитации, тянущая газ внутрь, уравновешивается тепловым давлением газа, который нагревается внешним ультрафиолетовым фоном Вселенной.

Астрофизики назвали такие гипотетические объекты RELHIC (Reionization-Limited HI Cloud — облако нейтрального водорода, ограниченное реионизацией). Долгое время они оставались лишь строками в компьютерном коде симуляций, так как найти объект, который не испускает света, чрезвычайно сложно.

Обнаружение Cloud-9

Открытие началось с наблюдений в радиодиапазоне. Нейтральный водород, даже если он не светится в оптическом диапазоне, излучает радиоволны на длине волны 21 сантиметр.

Используя крупнейший в мире радиотелескоп с заполненной апертурой FAST (Китай), астрономы просканировали окрестности спиральной галактики M94, расположенной на расстоянии около 4,4 мегапарсека от Земли. Они обнаружили компактный источник радиоизлучения, который получил название Cloud-9. Для подтверждения открытия и уточнения параметров были задействованы американские радиотелескопы VLA (Very Large Array) и телескоп Грин-Бэнк.

Радиоданные позволили определить физические характеристики объекта:

1. Масса газа: объект содержит около 1,4 миллиона масс Солнца в виде нейтрального водорода.
2. Размер: радиус газового облака составляет приблизительно 1,4 килопарсека (около 4500 световых лет).
3. Динамическое состояние: газ в Cloud-9 движется спокойно, с очень низкой дисперсией скоростей (около 12 км/с), и не демонстрирует признаков быстрого вращения, характерного для сформировавшихся галактических дисков.

Эти параметры идеально совпадали с теоретическим описанием RELHIC. Однако оставался главный вопрос: действительно ли там нет звезд? Возможно, это просто очень тусклая, но обычная карликовая галактика?

Поиск звездного компонента

Для ответа на этот вопрос исследователи использовали космический телескоп «Хаббл» (HST). Задача состояла в том, чтобы найти оптический аналог радиоисточника. Даже самые тусклые известные галактики содержат старые звезды — красные гиганты, которые можно обнаружить при длительной экспозиции.

Астрономы провели глубокую съемку области неба, где находится Cloud-9. Результаты оказались отрицательными: на снимках не было обнаружено ни скоплений звезд, ни даже отдельных ярких светил, которые можно было бы уверенно связать с этим объектом.

Чтобы исключить ошибку, ученые применили метод статистического моделирования. Они искусственно помещали на снимки «Хаббла» модели тусклых галактик разной массы и проверяли, смог бы телескоп их заметить.

Анализ показал следующее:

• Если бы в Cloud-9 находилась звездная популяция массой 10⁵ масс Солнца (как в известной карликовой галактике Leo T), «Хаббл» увидел бы её безошибочно.
• Даже звездная масса в 10⁴ масс Солнца была бы обнаружена с вероятностью 99,5%.

Это позволяет утверждать, что Cloud-9 практически лишен звезд. Отношение массы газа к массе звезд в этом объекте превышает 443. Для сравнения, в типичных карликовых галактиках, богатых газом, это соотношение редко превышает 4-10. Столь колоссальная диспропорция указывает на то, что процесс звездообразования в Cloud-9 был подавлен на самых ранних этапах.

Исключение альтернативных гипотез

Научная строгость требует проверки всех возможных объяснений, прежде чем объявлять об открытии нового класса объектов. Авторы работы рассмотрели несколько альтернативных сценариев:

1. Приливный мусор. Часто изолированные облака газа оказываются ошметками материи, вырванными из крупных галактик при гравитационном взаимодействии. Однако такие объекты (приливные карлики) обычно имеют искаженную форму и располагаются вдоль протяженных газовых нитей. Cloud-9 имеет правильную, почти сферическую форму и изолирован от других структур, что делает версию приливного происхождения маловероятной.

2. Высокоскоростное облако Млечного Пути. Иногда облака газа, находящиеся в гало нашей собственной Галактики, могут проецироваться на далекие объекты. Но измерение скорости Cloud-9 показало, что оно удаляется от нас с той же скоростью, что и галактика M94 (около 300 км/с). Облака Млечного Пути в этом секторе неба имеют совершенно другие, отрицательные скорости. Это доказывает, что объект физически находится рядом с M94.

3. Временная структура. Можно предположить, что это просто облако газа, сжатое давлением окружающей среды. Однако расчеты плотности показывают, что для существования такого облака без поддержки темной материи внешнее давление должно быть аномально высоким. Более того, без гравитационного каркаса из темной материи подобное облако рассеялось бы за несколько десятков миллионов лет. Стабильность и масса Cloud-9 требуют наличия скрытой массы, удерживающей газ.

Фундаментальное значение для космологии

Подтверждение природы Cloud-9 как объекта RELHIC важно для физики.

Во-первых, это прямое доказательство существования темных гало. Это разрешает проблему «недостающих спутников»: они не исчезли, они просто не светятся. Гало темной материи существуют, но большинство из них на малых масштабах остаются стерильными резервуарами газа.

Во-вторых, такие объекты становятся уникальными лабораториями для изучения самой темной материи. В обычных галактиках распределение вещества сильно искажается астрофизическими процессами: взрывами сверхновых, активностью черных дыр и звездными ветрами. Это мешает ученым понять, как именно распределена темная материя в центре галактик.

В объектах типа Cloud-9 этих помех нет. Газ находится в спокойном состоянии гидростатического равновесия. Изучая распределение плотности газа от центра к краям, астрофизики могут с высокой точностью восстановить структуру гравитационного потенциала, а значит — и распределение темной материи. Это открывает возможность для точной проверки различных моделей темной материи, которые по-разному предсказывают профиль плотности в центрах малых гало.

Перспективы исследований

На данный момент Cloud-9 является самым надежным кандидатом на роль «темной галактики». Однако для окончательного закрытия вопроса потребуются наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Его инструменты обладают большей чувствительностью в инфракрасном диапазоне и смогут обнаружить даже предельно холодные и старые звезды, если они там есть.

Если JWST подтвердит отсутствие звездного населения, астрономия получит новый инструмент исследования Вселенной — изучение темной материи через наблюдение «неудавшихся» галактик, которые миллиарды лет дрейфуют в космосе, так и не сумев зажечь свой первый свет.

Источник:The Astrophysical Journal Letters