Вместо темной материи: может ли скрытая масса Млечного Пути таиться в гигантском рое межзвездных комет?

Одной из главных задач современной астрофизики остается точное определение массы и структуры нашей Галактики. Этот расчет строится на сопоставлении двух величин: наблюдаемого движения звезд и распределения гравитирующего вещества. Измеряя скорость вращения звезд и газа на разном удалении от галактического центра, ученые реконструируют так называемую кривую вращения.

Десятилетия наблюдений показывают, что внешние области Млечного Пути вращаются гораздо быстрее, чем должны, если учитывать только видимые объекты — звезды, планеты и межзвездный газ. Для объяснения этого несоответствия в научную практику была введена концепция темной материи. Предполагается, что это невидимое вещество неизвестной природы, которое окружает Галактику в виде сферического гало и создает необходимую силу притяжения.

Однако расчет плотности темной материи всегда проводится по остаточному принципу. Из общей гравитационной массы, необходимой для поддержания текущей скорости вращения звезд, вычитается масса всей известной обычной (барионной) материи. Оставшаяся часть приписывается темной материи. Это означает, что любая недооценка массы обычного вещества в Галактике автоматически приводит к завышению плотности темной материи.

Новое исследование физиков из Гамбургского университета показывает, что астрономы могли упустить из виду колоссальный объем обычного вещества. Речь идет о межзвездных объектах — ледяных кометных ядрах и каменных астероидах, которые были выброшены из своих планетных систем и теперь свободно движутся в галактическом пространстве.

Открытие межзвездных объектов и масштаб 3I/ATLAS

Долгое время существование межзвездных объектов оставалось теоретическим допущением. Инструментально подтвердить их присутствие удалось только в последние годы благодаря повышению чувствительности телескопов. На сегодняшний день астрономы зафиксировали три таких объекта, пролетавших через внутреннюю область Солнечной системы по незамкнутым гиперболическим траекториям: 1I/Омуамуа, 2I/Борисова и 3I/ATLAS.

Особое значение для расчетов массы имеет объект 3I/ATLAS. В отличие от относительно небольших Омуамуа и кометы Борисова, радиус ядра ATLAS оценивается в диапазоне от 1,6 до 5,6 километра (при определенных оптических свойствах поверхности этот показатель может достигать 10 километров).

Поскольку масса любого космического тела зависит от его объема, она пропорциональна кубу его радиуса. Увеличение радиуса объекта в десять раз означает увеличение его массы в тысячу раз при одинаковой плотности вещества. Обнаружение столь крупного тела, как 3I/ATLAS, в самом начале систематических наблюдений свидетельствует о том, что популяция крупных межзвездных объектов в Галактике чрезвычайно многочисленна.

Кинематические свойства и структура галактического диска

Для оценки общего количества этих объектов в масштабах Млечного Пути ключевую роль играет их скорость. Скорость движения 3I/ATLAS относительно Солнца составляет около 57,9 км/с.

В звездной динамике такая высокая скорость указывает на значительный возраст объекта. При формировании планетных систем твердые тела выбрасываются в межзвездное пространство с относительно небольшими скоростями и изначально движутся в той же плоскости, что и молодые звезды — в так называемом тонком диске Галактики.

Однако в течение миллиардов лет эти объекты подвергаются гравитационному воздействию со стороны других звезд и массивных газовых облаков. Каждое такое сближение немного изменяет траекторию и увеличивает скорость объекта. Этот процесс, называемый динамической релаксацией, постепенно вытесняет старые объекты на более высокие и наклонные орбиты.

Высокая скорость 3I/ATLAS указывает на то, что данная популяция принадлежит к «толстому диску» Галактики. Это пространственная структура, которая простирается примерно на 0,8 килопарсека в высоту по обе стороны от плоскости Галактики, а ее радиальный размер в плоскости диска достигает 7 килопарсек. По оценкам ученых, возраст этой популяции составляет от 3 до 11 миллиардов лет.

Метод расчета глобальной популяции

Поскольку астрономы могут непосредственно наблюдать лишь единичные объекты, пролетающие вблизи Земли, для оценки их общего количества во всей Галактике используется математический аппарат. Расчет проводится в три этапа.

1. Определение локальной плотности. На основе объема пространства, просканированного телескопами за определенное время, и количества обнаруженных тел рассчитывается локальная концентрация объектов. Физики применили пуассоновское распределение вероятностей, чтобы установить границы этой величины с достоверностью в 90%.
2. Учет гравитационного фокусирования. Проходя мимо Солнца, межзвездные объекты отклоняются его притяжением. Это увеличивает эффективное сечение захвата объектов Солнечной системой. Ученые скорректировали наблюдаемую частоту пролетов с учетом гравитационного влияния Солнца, чтобы получить реальную плотность объектов в невозмущенном межзвездном пространстве.
3. Определение пространственного распределения. На этом этапе возникает математическая неопределенность: невозможно определить полную массу диска, зная только его плотность в одной точке, без точного понимания его толщины. Для решения этой задачи авторы исследования применили уравнения Джинса, которые описывают динамическое равновесие звездных систем.

Уравнения Джинса связывают распределение плотности объектов с их скоростью и общим гравитационным полем. Зная скорость движения комет и то, на какую высоту над плоскостью Галактики они способны подниматься под действием этой скорости, физики рассчитали шкалу высоты диска. Это позволило построить полную трехмерную модель распределения межзвездных объектов в Млечном Пути.

Влияние на баланс массы Млечного Пути

Интегрировав полученную модель распределения межзвездных тел в общую динамическую модель Галактики, авторы сопоставили ее с данными о скоростях звезд из каталога Gaia DR3.

Результаты расчетов показывают, что суммарная масса популяции межзвездных объектов может составлять до 5 x 10¹⁰ масс Солнца. Это сопоставимо с массой всей звездной составляющей Млечного Пути. Введение такого массивного барионного компонента меняет распределение гравитационного потенциала и снижает расчетную массу темной материи, необходимую для объяснения скорости вращения Галактики.

Согласно базовой модели, плотность темной материи в окрестностях Солнечной системы составляет около 0,44 ГэВ/см³. При учете наиболее вероятной массы диска межзвездных объектов это значение снижается до 0,38 ГэВ/см³ (разница около 13%). В случае максимальной статистически допустимой массы межзвездных тел локальная плотность темной материи уменьшается до 0,24 ГэВ/см³, то есть почти на 45%.

Изменение параметров поиска темной материи на Земле

Снижение расчетной плотности темной материи напрямую влияет на результаты экспериментов по ее обнаружению. Эксперименты делятся на два основных типа: прямые и непрямые.

Прямой поиск

Эксперименты прямого поиска проводятся в подземных лабораториях (например, детекторы LUX-ZEPLIN и XENONnT). Они фиксируют слабые вспышки света, которые должны возникать при столкновении гипотетических частиц темной материи (вимпов) с ядрами атомов жидкого ксенона.

Частота таких столкновений линейно зависит от плотности темной материи в Солнечной системе. Если плотность темной материи ниже расчетной на 13-45%, это означает, что поток проходящих через Землю частиц также пропорционально меньше. Соответственно, существующие экспериментальные ограничения на вероятность взаимодействия вимпов с обычным веществом должны быть скорректированы в сторону уменьшения чувствительности приборов.

Непрямой поиск

Непрямой поиск направлен на регистрацию гамма-излучения, которое образуется при взаимном уничтожении (аннигиляции) частиц темной материи в областях с их высокой концентрацией, например, в центре Галактики.

Интенсивность этого излучения пропорциональна квадрату плотности темной материи. Из-за квадратичной зависимости даже небольшое снижение плотности существенно ослабляет ожидаемый сигнал.

Для оценки мощности излучения физики рассчитывают геометрический параметр, называемый J-фактором. Расчеты показывают, что учет диска межзвездных объектов снижает среднее значение J-фактора для центральной области Млечного Пути с базовых 2,65 x 10²² ГэВ² см⁻⁵ до 1,97 x 10²² ГэВ² см⁻⁵ в умеренном сценарии, и до 7,88 x 10²¹ ГэВ² см⁻⁵ в максимальном. Ожидаемый поток гамма-излучения уменьшается в несколько раз, что заставляет пересмотреть интерпретацию данных космических гамма-телескопов.

Систематическая погрешность и перспективы наблюдений

Предложенная модель, в которой межзвездные объекты составляют столь значительную часть массы Галактики, накладывает жесткие требования на процессы формирования планет. Чтобы выбросить в космос такое количество вещества, практически каждая звезда в Галактике должна была на этапе формирования планет рассеять в межзвездное пространство гигантский объем твердого материала. Это представляет определенную сложность для современных теорий планетообразования.

Тем не менее, исследование указывает на важный методологический аспект: существующие оценки плотности темной материи могут содержать систематическую ошибку из-за нашего недостаточного знания о слабосветящихся или невидимых компонентах обычной материи. Помимо межзвездных комет, к таким компонентам относятся свободноплавающие планеты-сироты, остывшие белые карлики и изолированные черные дыры звездной массы.

В ближайшие годы планируется запуск новых проектов по панорамному обзору неба, включая Обсерваторию имени Веры Рубин в Чили. Высокая светосила и скорость сканирования этих инструментов позволят обнаруживать десятки межзвездных объектов ежегодно. Накопление статистических данных даст возможность точно определить концентрацию и размеры этих тел, что позволит уточнить барионный бюджет Млечного Пути и скорректировать параметры поиска фундаментальных частиц темной материи.

Источник:arXiv