Весной 2018 года астрономам впервые в истории удалось найти галактику с минимальным количеством темной материи — или с ее полным отсутствием. Спустя год ученые нашли вторую подобную галактику, а это открытие стало одним из самых важных в астрономии в XXI веке — наряду с обнаружением гравитационных волн. «Хайтек» рассказывает, насколько существование таких объектов вообще возможно и как оно парадоксальным образом доказывает наличие самой темной материи во Вселенной.
В вопросах, касающихся природы и свойств темной материи, астрономы до сих пор находятся на начальном этапе изучения, в первую очередь, потому что реальность ее существования до сих пор не доказана.
Теория о существовании этой субстанции была выдвинута более 40 лет назад в качестве объяснения несоответствия между массой всех видимых объектов в галактике с массой самой галактики. Астроном Вера Рубин, которая впервые обнаружила несоответствие, определила, что эта невидимая субстанция крайне распространена, и из нее состоит большая часть Вселенной. Сегодня мы знаем эту субстанцию как темную материю.
Хотя у астрономов есть по меньшей мере три доказательства того, что темная материя существует, ни одна из попыток обнаружить прямое доказательство ее существования и определить ее свойства успехом не увенчалась.
Однако работа ученых из Йельского университета во главе с Питером ван Доккумом, опубликованная в журнале Nature в марте 2018 года, как никогда раньше приблизила ученых к обнаружению еще одного доказательства существования этой субстанции.
Что астрономам известно о темной материи?
Темная материя — субстанция, которая не взаимодействует с другими материями с помощью электромагнитных (EM) или сильных ядерных сил. Отсутствие электромагнитных взаимодействий означает, что она не может испускать, поглощать, отражать, преломлять или рассеивать свет. Это, естественно, делает ее довольно сложным предметом для наблюдений. Тем не менее, около 85% всего вещества во Вселенной представляет собой темную материю.
Пока у ученых нет ни одного практического доказательства того, что темная материя действительно существует, но есть теоретические. Вот три главных.
Галактические кривые вращения
Когда один объект вращается вокруг другого, объект на орбите должен постоянно ускоряться к центральному (или, точнее, они оба ускоряются к их объединенному центру масс). Без этого ускорения орбитальное тело просто улетит.
Чем быстрее движется орбитальное тело, тем большее ускорение требуется, чтобы удержать его на орбите. Поскольку в этом случае ускорение происходит из-за силы тяжести, это означает, что центральная масса должна быть больше.
Это знание позволяет ученым «взвешивать» разные части галактики, а также измерять скорости вращения, сравнивая красные смещения на приближающейся и удаляющейся сторонах галактики. При взвешивании астрономы видят несоответствие между массой всех объектов в галактике и ее общей массой.
Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением слабого диффузного рассеяния, эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Впервые сдвиг спектральных линий в спектрах небесных тел описал французский физик Ипполит Физо в 1848 году и предложил для объяснения сдвига эффект Доплера, вызванный лучевой скоростью звезды.
Гравитационное линзирование
Согласно общей теории относительности, всякий раз, когда свет проходит через гравитационное поле, он слегка искажается. Это действует как гравитационная линза и может производить, например, «кольца Эйнштейна», как на изображении ниже.
Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что гравитация столь крупных космических объектов, как галактики, искривляет пространство вокруг себя и отклоняет лучи света. При этом возникает искаженное изображение другой галактики — источника света.
«Кольцо Эйнштейна» на изображении выше — это искаженное изображение одной галактики (она подсвечена синим), расположенной за другой (красной) галактикой в центре. Свет от синей распространяется во всех направлениях, но изгибается гравитацией красной галактики. Это означает, что свет, который, например, был изначально направлен прямо на Землю, никогда не достигнет нашей планеты — в отличие от света, который имел другое направление, но исказился линзой и исходит как будто из всех направлений сразу. Этот процесс объясняет появление кольца.
В слабых гравитационных линзах статистический анализ искажений в свете, который мы получаем, позволяет «заметить» гравитационное поле между Землей и далекими галактиками. Часто в этом поле оказывается больше массы — соответственно, и больше материи, — чем ученые могут объяснить.
Пример гравитационного линзирования, которое с точки зрения существующей теории доказывает наличие темной материи, — фотография скопления галактик Пуля, расположенного в созвездии Киля.
На снимке изображены последствия столкновения двух галактик. Красным на изображении показаны области видимой материи, синим — темная материя, наличие которой определено гравитационным линзированием.
Столь отчетливое разделение объясняется тем, что большая часть светящегося вещества в скоплении галактик находится во внутрикластерной среде — в горячей, плотной плазме. Когда части плазмы сталкиваются друг с другом, значительное количество вещества замедляется и остается в центре. Но темная материя слабо взаимодействует с веществом, поэтому ее компоненты из двух кластеров могут свободно проходить друг через друга — это приводит к изображенному на фотографии разделению.
Реликтовое излучение
В течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была достаточно горячей, чтобы сильно ионизироваться. Это на время делало ее почти непрозрачной для света — фотоны вращались, как и любая другая частица. Однако, когда все достаточно охладилось, значительные количества протонов и электронов объединились в нейтральный водород, который стал достаточно прозрачен для большей части окружающего его света. Это процесс произошел довольно быстро (с точки зрения космологического времени) — в результате весь свет, содержащийся во Вселенной, условно говоря, внезапно был выпущен наружу, сделав снимок на том этапе ее эволюции. Так упрощенно можно описать реликтовое излучение.
Чтобы зафиксировать этот свет, ученые могут направить радиотелескопы в любом направлении — и в зависимости от области наблюдений температура будет незначительно меняться. Разница в температуре объясняется наличием или отсутствием темной материи в этой области.
Что необычного нашли в первой галактике?
DF2 — галактика, которая входит в большую группу во главе с массивной эллиптической галактикой NGC 1052. Галактика привлекла внимание ученых тем, что она выглядела по-разному на фотографиях, сделанных аппаратами Dragonfly и Sloan Digital Sky Survey (SDSS). На первом галактика представляла собой пятно слабого света, тогда как на втором — группу точечных объектов.
На основе этих наблюдений ученые во главе с Питером ван Доккумом определили десять шаровых скоплений (большие группы старых звезд) внутри галактики и обнаружили, что они движутся в три раза медленнее, чем при наличии большого количества темной материи. Дело в том, что если бы масса была галактики была больше массы видимых объектов, скопления вращались быстрее.
Научное сообщество оценило публикацию критически — в качестве ошибки исследователей называлось то, что они наблюдали лишь за десятью скоплениями и только в течение двух ночей. Скептики посчитали, что ученые могли упустить из виду ключевые детали движения звездных скоплений, и это в результате исказило их оценку массы галактики и ее видимой материи.
А во второй?
Единственным способом доказать правильность своих наблюдений стал поиск второй галактики, в которой содержалось бы минимальное количество темной материи — и в марте 2019 года такая галактика была обнаружена.
Исследователи опубликовали две научные статьи — в первой они повторно измерили массу DF2 с помощью усовершенствованной камеры «Хаббла» и десятиметрового телескопа обсерватории Кека на Гавайях. На этот раз астрономы наблюдали не только за скоростью движения скоплений, но и за скоростью вращения звезд внутри них. В результате ученые установили, что DF2 является прозрачной ультрадиффузной галактикой, размер которой примерно соответствует Млечному пути. Только звезд в ней оказалось примерно в 200 раз меньше.
Вторая статья была посвящена открытию подобной DF2 галактики — DF4, которая находится в том же скоплении рядом с галактикой NGC 1052. Исследователи полагают, что, во-первых, галактики с минимальным количеством темной материи — не редкость, и, во-вторых, что крупная галактика могла «украсть» темную материю у своих более мелких соседей.
Как отсутствие темной материи может служить доказательством ее наличия?
Для понимания утверждения, что отсутствие темной материи в двух галактиках подтверждает ее наличие во Вселенной в соответствии с Общей теорией относительности, стоит рассмотреть критику идеи о наличии темной материи.
Часть ученых не согласна с тем, что во Вселенной существует темная материя, а теоретические свидетельства ее наличия приписывают так называемой модифицированной ньютоновской динамике (MOND). Эта альтернативная теория гласит, что гравитация в космических масштабах работает не так, как предсказали Исаак Ньютон или Альберт Эйнштейн. Это значит, что Общая теория относительности, на которой строятся теории о существовании темной материи, в случае с галактиками не работает.
Например, физик-теоретик Эрик Верлинде из Амстердамского университета в 2016 году опубликовал научную статью, в которой рассмотрел гравитацию как побочный продукт квантовых взаимодействий и предположил, что дополнительная гравитация, приписываемая темной материи, является эффектом темной энергии — фоновой энергии, вплетенной в ткань пространства-времени Вселенной.
Другими словами, Верлинде считает, что темная материя — не материя, а лишь взаимодействие между обычной материей и темной энергией.
Открытие ученых из Йельского университета демонстрирует, что темная материя может быть отделена от обычной — при условии, что обе обнаруженные галактики ведут себя в соответствии со стандартной теорией гравитации. То есть происходящие в них процессы можно объяснить с помощью уравнений, открытых Ньютоном и Кеплером.
Какие остались вопросы
Открытие астрономов, если его удастся окончательно подтвердить в ходе будущих наблюдений, бросает вызов существующей теории о формировании галактик. В частности, речь идет о предположении, что более крупная NGC 1052 могла «украсть» темную материю у DF2 и DF4. Если это действительно возможно при условии сохранения упорядоченности, которая наблюдается в обеих наблюдаемых галактиках, то астрономам придется полностью пересмотреть механизм формирования и существования их.
«Мы надеемся выяснить, насколько распространены эти галактики и существуют ли они в других областях Вселенной. Хотим найти больше доказательств, которые помогут нам понять, как их свойства согласуются или не согласуются с нашими нынешними теориями. Мы надеемся, что это позволит сделать еще один шаг в понимании одной из самых больших загадок в нашей вселенной — природы темной материи», — рассказал Доккум в разговоре с Astronomy.