Группа британских и немецких астрофизиков опубликовала исследование о роли темной материи в ранних галактиках, которое ставит под вопрос наше понимание того, как устроена Вселенная.
Долгое время астрофизики считали одним из важнейших доказательств существования темной материи во Вселенной тот факт, что скорость вращения дисковых галактик по краям (где звезд меньше) равняется скорости вращения центральных областей (где звезд на порядок больше).
Гипотетическая темная материя, размещенная по краям галактик, уравновешивает центральные зоны, что обеспечивает равную скорость вращения.
Однако исследование ученых из немецкого Института внеземной физики Макса Планка и британского университета Бата показывает, что это не всегда так.
Исследование, результаты которого были опубликованы в авторитетном журнале Nature, показывают, что в ряде древних галактик, свету которых требуется 10 млрд лет, чтобы достичь Солнечной системы, темной материи нет вообще, либо же она присутствует в незначительных количествах.
Это вступает в противоречие с нынешними представлениями об устройстве Вселенной и ставит ряд вопросов о существующей трактовке темной материи.
Темная материя
Невидимой темной материи примерно в пять раз больше, чем видимой. Мы знаем, что она существует из-за гравитационного воздействия, которое она оказывает на видимую материю, поясняет Стийн Вуйтс, физик из английского университета Бата, один из авторов исследования.
Проще говоря, видимой материи было бы недостаточно для того, чтобы удерживать целые галактики вместе, как это происходит на самом деле. Отсюда мы делаем вывод о наличии темной материи, которая составляет по разным оценкам от 80 до 90% Вселенной.
Однако, мы до сих пор не знаем, что представляет собой темная материя и откуда она взялась. Гипотез на этот счет предостаточно, но ни одна из них до сих пор не заслужила статуса общепринятой.
И вот, новая загадка. Согласно новому исследованию, в первых галактиках, которые возникли после Большого Взрыва количество темной материи было весьма незначительным. Откуда она взялась позже? Когда это произошло и почему?
В астрономии гравитация играет ключевую роль, поясняет Вуйтс. Звезды светят для того, чтобы избежать гравитационного коллапса из-за собственной массы. Вращение Млечного пути также связано с противостоянием гравитационному разрушению. Некоторые крупные галактики не вращаются, но время от времени перемещаются, чтобы находиться в гравитационном балансе.
Вот почему измерения движений галактики — это эффективный инструмент для определения гравитационного воздействия в некоей части космического пространства. Или же для определения того, как массы материи там присутствуют.
Вращение пустующих внешних зон галактик с той же скоростью, что и «густонаселенных» центральных областей напрямую указывает на наличие темной материи. Ученые предполагают, что у галактик есть своего рода «гало» из темной материи, которое и приводит к такому равновесию.
Видимая материя занимает лишь малую часть галактического диска. Остальное пространство заполнено темной материей. Ее гравитационное влияние объясняет, почему звезды на окраинах дисковых галактик не замедляются.
У современной науки появились очень мощные инструменты наблюдения за Вселенной, например, такие как Европейский очень большой телескоп, который позволяет получать снимки очень удаленных галактик. Их свет летит к нам настолько долго, что это позволяет нам наблюдать за формированием галактик 10 млрд лет назад. В том числе и оценить скорости их вращения — целиком и по разным областям.
Такие наблюдения позволили Вуйтсу и его коллегам из Института внеземной физики Макса Планка измерить скорости вращения шести очень древних галактик. И еще около сотни галактик, которые значительно старше тех, что расположены близко к Млечному пути.
Полученные измерения очень удивили ученых. Оказалось, что в древних галактиках внешние области вращались медленнее центральных областей. Проще говоря, в этих галактиках не было темной материи, либо же ее количество было весьма незначительным.
Тайна ранних галактик
По словам ведущего автора исследования Рейнхарда Генцеля из Института внеземной физики Макса Планка, в галактиках, которые сформировались относительно недавно — таких как Млечный путь — темная материя составляет от 50 до 80% массы.
В древних галактиках, которые были объектами исследования, этот показатель не превышает 10%, констатирует Генцель.
Объяснения этому удивительному наблюдению пока нет.
Возможно, наблюдения за удаленными галактиками позволили застать тот самый условный момент, когда гало из темной материи формировались, а галактики пока еще не находились в равновесии. Другими словами, эти галактики формировались в областях Вселенной, где концентрация темной материи была ниже. Но почему?
В какой момент времени темная материя «вступает» в игру? Почему количество темной материи в разные эпохи Вселенной было разным?
Для формирования точных представлений о том, как происходили эти процессы, нужны детальные наблюдения за галактиками на протяжении всей их жизни, отмечает Вуйтс. И сделанные им наблюдения уже являются одним из элементов этой общей картины.
На текущий момент можно достоверно утверждать лишь одно. Древние дисковые галактики, за которыми наблюдали Вуйтс и его коллеги, сильно отличаются от галактики типа Млечного пути, которые мы можем наблюдать сегодня.
Вуйтс уверен, что загадку можно разгадать, наблюдая за древними галактиками в других областях Вселенной, в том числе и не только за дисковыми, но и за сферическими, а также спиральными, такими как Млечный путь.
Только так можно будет понять, как и на каком этапе эволюции Вселенной темная материя начинает играть столь значительную роль, как сегодня. И возможно, именно здесь кроется ответ на один их основных вопросов современной физики — что такое темная материя.