Галактика без звезд: астрономы обнаружили объект, состоящий на 99,9% из темной материи

Вся история наблюдательной астрономии построена на одном базовом принципе: ученые могут изучать только те объекты, которые излучают или поглощают свет. Звезды, пульсары, облака раскаленного газа — все они оставляют след в электромагнитном спектре, который могут зафиксировать телескопы. Однако современные физические расчеты говорят, что привычное нам видимое вещество составляет менее пятой части от всей материи во Вселенной. Остальная масса приходится на темную материю — субстанцию, которая не испускает света, не отражает его и никак не взаимодействует с электромагнитным излучением. О ее существовании мы знаем исключительно по тому гравитационному влиянию, которое она оказывает на видимые объекты.

Долгое время эта особенность не мешала изучать крупные структуры. В обычных спиральных или эллиптических галактиках звезд достаточно много, чтобы по их движению можно было вычислить массу скрытого темного гало. Но что делать, если галактика почти полностью лишена звезд? Как обнаружить колоссальный гравитационный объект, если в нем физически некому светить?

Ответ на этот вопрос дала международная команда исследователей под руководством Дэвида Ли из Университета Торонто. В своей новой работе астрономы описали объект Candidate Dark Galaxy-2 (CDG-2), расположенный в скоплении Персея на расстоянии около 75 мегапарсеков от Земли. Это первая в истории астрономии галактика, которую удалось обнаружить не по ее собственному свечению, а исключительно по гравитационным меткам — нескольким шаровым звездным скоплениям. Детальный анализ показал, что мы имеем дело с объектом, который состоит из темной материи более чем на 99,9%.

Предел оптической видимости

Сложность открытия — в ограничениях современных инструментов. В 2015 году астрономы классифицировали новый тип космических объектов — ультрадиффузные галактики (UDG). По своим физическим размерам они могут не уступать нашему Млечному Пути, но звезд в них в сотни или даже тысячи раз меньше. Расстояние между немногочисленными светилами в таких системах настолько велико, что галактика выглядит не как плотный сияющий диск, а как едва заметное прозрачное облако.

Обнаружение ультрадиффузных галактик требует от космических телескопов работы на пределе возможностей: камеры должны часами накапливать свет, чтобы выделить тусклое диффузное свечение на фоне черного неба. Но теоретики предположили, что класс UDG — это еще не предел. Должны существовать «почти темные» галактики, где звездное население настолько мало, что его свет становится статистически неотличим от фонового шума космического пространства. Искать такие объекты с помощью традиционной выдержки и прямого наблюдения бессмысленно.

Группа Дэвида Ли разработала принципиально иной алгоритм поиска. Ученые решили опираться не на рассеянный свет галактики, а на локализованные источники большой массы. В качестве таких маркеров были выбраны шаровые звездные скопления. Это чрезвычайно плотные, древние группы, содержащие от десятков тысяч до миллионов звезд, связанных собственной гравитацией. Обычно они вращаются на орбитах вокруг центров крупных галактик.

Исследователи написали статистическую модель, которая анализировала огромные массивы данных космического телескопа «Хаббл». Программа искала аномалии в пустом пространстве скопления Персея: плотные группы из нескольких шаровых скоплений, которые визуально не были привязаны ни к одной известной галактике. Логика этого метода опирается на законы физики. Несколько массивных шаровых скоплений не могут веками висеть рядом друг с другом в межгалактической пустоте. Без сильного связующего гравитационного центра они бы неизбежно разлетелись в разные стороны. Если они держатся вместе, значит, они погружены в невидимую сверхмассивную структуру.

Доказательство через два телескопа

Алгоритм выявил такую пространственную аномалию. На снимках «Хаббла» обнаружилась группа из четырех плотно скомпонованных шаровых звездных скоплений. Они расположились на участке пространства диаметром всего около 1,2 килопарсека. Расчеты показали, что вероятность случайного скопления четырех таких объектов в одной точке пространства без участия сторонней массы составляет около 0,0015% — это один случай на 67 000 сделанных фотографий.

Однако одной математической вероятности недостаточно для строгого научного утверждения. Требовалось доказать, что между этими точками действительно есть хоть какая-то разреженная звездная материя, подтверждающая статус галактики. Для этого астрономы использовали недавно опубликованные данные европейского космического телескопа Euclid.

Инструменты «Хаббла» и Euclid решают разные задачи. Если «Хаббл» с высочайшей резкостью фиксирует точечные объекты (такие как отдельные плотные скопления), то аппарат Euclid изначально проектировался для картирования темной материи и захвата экстремально тусклого, рассеянного света на больших площадях.

Когда исследователи наложили данные Euclid на координаты из каталога «Хаббла» и провели сложную фильтрацию цифрового шума, они обнаружили искомое. Вокруг четырех шаровых скоплений проступило невероятно слабое, но отчетливо регистрируемое диффузное гало. Форма этого призрачного свечения совпала на данных с разных оптических инструментов, что полностью исключило вероятность ошибки объективов или матриц телескопов. CDG-2 оказалась физически существующей галактикой.

Аномальная физика «темной» системы

Проведя фотометрический анализ, астрономы получили цифры, которые заставляют пересматривать устоявшиеся теории формирования космических структур. CDG-2 демонстрирует самые экстремальные физические параметры среди всех известных на сегодняшний день галактик.

Первая аномалия касается распределения массы. Опираясь на данные о светимости и стандартные кинематические модели, ученые вычислили соотношение видимого звездного вещества и темного гало. Согласно самым консервативным оценкам, темная материя составляет в CDG-2 от 99,94% до 99,98% всей массы. Если же применить к ней усредненные функции светимости, эта цифра превышает 99,99%. Фактически это гигантский сгусток темной материи, в котором по случайности оказалось минимальное количество обычных атомов.

Вторая аномалия — это концентрация света. В нормальной спиральной галактике основную массу света генерирует плотный центральный диск, а шаровые скопления дают лишь доли процента от общей светимости. В CDG-2 все работает с точностью до наоборот. От 16,6% до 33% всего света этой галактики исходит исключительно от четырех упомянутых шаровых скоплений. Остальной объем галактики практически пуст.

У астрофизиков есть две рабочие гипотезы того, как могла сформироваться подобная структура. Первая предполагает специфический механизм раннего звездообразования: миллиарды лет назад в этом облаке газа процесс формирования звезд шел только в экстремально плотных центрах (будущих шаровых скоплениях), а остальной газ так и не смог коллапсировать в звезды и рассеялся. Вторая гипотеза указывает на внешний фактор: CDG-2 могла быть более массивной галактикой в прошлом, но агрессивная гравитационная среда внутри скопления Персея буквально содрала с нее большинство обычных звезд. При этом плотные шаровые скопления и массивный каркас темной материи устояли перед разрушительным воздействием.

Значение для фундаментальной науки

Это открытие дает физикам-теоретикам идеальный испытательный полигон для изучения самой темной материи.

Дело в том, что в современной физике нет единого мнения о составе темного вещества. Стандартная модель холодной темной материи хорошо объясняет структуру крупномасштабной Вселенной, но часто дает сбои при расчетах динамики карликовых галактик — предсказанная плотность материи в их центрах не совпадает с реальными наблюдениями.

Существуют альтернативные теории, такие как модель нечеткой темной материи. Она предполагает, что темная субстанция состоит из сверхлегких бозонов (например, аксионов). На квантовом уровне в масштабах малых галактик эти частицы должны вести себя не как отдельные песчинки, а как единая волна, формируя в центре галактики стабильное и очень плотное солитонное ядро. CDG-2, лишенная плотного скопления обычных звезд в центре, идеально подходит для проверки этой гипотезы. Ничто не мешает напрямую замерять гравитационный профиль самого гало.

Успешное применение статистического метода Дэвида Ли открывает совершенно новый этап в наблюдательной астрономии. Ранее ученые даже не пытались системно искать галактики, которые невозможно увидеть напрямую. Теперь у науки появился рабочий алгоритм. Если мы научились находить невидимые структуры по расположению их гравитационных спутников, значит, реальное количество почти полностью темных галактик во Вселенной может оказаться на порядки больше, чем допускали самые смелые космологические симуляции.

Источник:The Astrophysical Journal Letters