В 2016 году астрономы во главе с Питером ван Доккумом из Йельского университета опубликовали сенсационную статью, в которой рассказывалось об открытии галактики столько тусклой, но при этом огромной, что она должна быть почти полностью невидимой. Учёные подсчитали, что эта галактика, получившая название Dragonfly 44, на 99,99% состоит из тёмной материи.

Сразу же после публикации работы начались жаркие споры о свойствах Dragonfly 44. Они продолжаются по сей день. Тем временем, было обнаружено ещё более 1000 таких же больших, но тусклых галактик.

Dragonfly 44 и ей подобные известны как ультрадиффузные галактики. По словам Пола Беннета, астронома из Института исследований космоса с помощью космического телескопа в Балтиморе, хотя они могут быть такими же большими, как и самые обычные галактики, главная их особенность в том, что они исключительно тусклые — настолько тусклые, что при съёмке неба с помощью телескопа сложно отфильтровать шум, не отфильтровав случайно эти галактики. Яркий звёздообразующий газ, которым изобилуют другие галактики, кажется, практически исчез в их ультрадиффузных собратьях, оставив их лишь только со «скелетом» старых звёзд.

Их существование вызвало переполох в теории галактической эволюции, не предсказавшей подобные объекты во Вселенной. «Они не появлялись в симуляциях, — объяснил ван Доккум. — Должно было произойти что-то по-настоящему уникальное, чтобы сделать галактику такой большой и тусклой».

Стали появляться новые дикие теории, объясняющие происхождение Dragonfly 44 и других ультрадиффузных галактик. Кроме того, как считается, эти гигантские космические объекты могут быть новым свидетельством невидимой руки тёмной материи.

Слишком много тёмной материи

По мере того, как гравитация соединяет сгустки газа и звёзды, их объединенные энергии и импульсы заставляют всю эту «смесь» раздуваться и вращаться. В конце концов на свет появляется галактика.

Правда, есть одна проблема. Со временем, по мере вращения, галактики должны распадаться на части. Предположительно, им не хватает массы — и, следовательно, гравитации — чтобы соединиться в единое целое. Концепция тёмной материи была придумана, чтобы отыскать недостающую гравитацию. В этой картине мира галактика находится внутри большого скопления несветящихся частиц. Именно это гало тёмной материи и удерживает вместе вращающуюся галактику.

Одним из способов оценить скорость вращения галактики и, следовательно, содержание в ней тёмной материи, является подсчёт её сферических скоплений звёзд. «Теоретически мы не знаем почему, — сказал Беннет, — но количество этих “шаровых скоплений” тесно коррелирует с её трудноизмеримой скоростью вращения». В статье 2016 года ван Доккум насчитал 94 шаровых скопления внутри Dragonfly 44 — число, указывающее на чрезвычайно большое гало тёмной материи, несмотря на то, как мало её в галактике.

Никто никогда не видел ничего подобного. Ван Доккум и соавторы предположили, что Dragonfly 44 может быть «несостоявшимся Млечным Путём»: галактикой с гало тёмной материи размером с Млечный Путь, которая на раннем этапе подверглась загадочному событию, лишившему её газа для звёздообразования и оставив лишь со стареющими звёздами и гигантским гало.

Или всё же не тёмная материя

Когда появились новости о Dragonfly 44, сторонница MOND Стейси МакГоу, астроном из Университета Кейс-Вестерн-Резерв, рассчитала, исходя из отношения массы к свету, что она должна вращаться медленнее, чем указывала первоначальная оценка ван Доккума. Расчёты MOND, похоже, не соответствовали исходным данным.

В 2019 году группа ван Доккума «уменьшила» скорость вращения Dragonfly 44, используя улучшенные данные наблюдений. MOND была оправдана. «Dragonfly 44 — это пример того, как данные наблюдений полностью согласуются с теорий MOND», — сказала МакГоу.

Тем не менее, для большинства астрономов, которые верят в тёмную материю, более низкая скорость вращения означает, что гало Dragonfly 44 меньше, чем они думали. В 2020 году независимая группа учёных ещё раз «уменьшила» размер гало, насчитав значительно меньше шаровых скоплений, но ван Доккум оспаривает этот результат. Хотя размер гало пока что остаётся неопределённым, оно может быть менее массивным, чем считалось первоначально, что позволяет предположить, что Dragonfly 44 в конце концов не является несостоявшимся Млечным Путём.

Большая старая галактика

Недавно обнаруженная нестыковка ещё больше усложнила эту тайну. В статье, опубликованной в августе 2022 года, группа ван Доккума доказала, что Dragonfly 44 является чрезвычайно древней галактикой, сформировавшейся между 10 и 13 миллиардами лет назад.

Но столь старая галактика не должна быть такой большой, как Dragonfly 44. Объекты ранней Вселенной имеют тенденцию к более компактным размерам, потому что они сформировались до её быстрого расширения.

Более того, такая старая, потрёпанная галактика уже должна быть полностью разорвана на части. То, что Dragonfly 44 всё ещё представляет собой единое целое, подразумевает, что у неё в конце концов есть огромное гало тёмной материи, что потенциально может воскресить гипотезу о «несостоявшемся Млечном Пути». «Это действительно забавное объяснение, вот почему оно мне нравится, но я не знаю, верно ли оно», — сказал ван Доккум.

Согласно другой теории, гипотезе «быстрого вращения», Dragonfly 44 возникла в результате слияния двух маленьких галактик, вращавшихся в одном направлении, получив угловой момент их обеих. Это заставляло её вращаться всё быстрее, расширяясь и отбрасывая звёздообразующий материал.

Поразительно разнообразные ультрадиффузные галактики

В ходе тщательного изучения Dragonfly 44 астрономы также каталогизировали обширную и разнообразную коллекцию других ультрадиффузных галактик. Полученные данные вынуждают учёных сделать вывод, что процесс формирования галактик значительно разнообразнее, чем они думали ранее.

В некоторых недавно обнаруженных галактиках полностью отсутствует тёмная материя. Группа Ван Доккума идентифицировала одну такую галактику в 2018 году, а затем заметила рядом следы других. В мае этого года команда опубликовала в журнале Nature гипотезу, что эти следы образовались в результате давнего столкновения двух галактик. Столкновение замедлило поток их газа, но тёмная материя продолжала двигаться, как будто ничего не произошло. Затем газ преобразовался в сгустки звёзд, в конечном итоге сформировав цепочку галактик, свободных от тёмной материи.

Тем временем Беннет в 2018 году обнаружил две ультрадиффузные галактики, указывающие на другую теорию их формирования. В обоих случаях гравитационные силы тяжёлой соседней галактики, похоже, разорвали ультрадиффузную, похитив весь её газ. При этом подобная теория не способна объяснить формирование Dragonfly 44, которая находится слишком далеко от подобных галактик.

Удивительно, но журнал September сообщил о недавнем звёздообразовании в ультрадиффузной галактике, что противоречит идее о том, что в их состав входят лишь только старые звёзды.

Множество столь разных ультрадиффузных галактик, которые выглядят одинаково внешне, но различаются своей внутренней структурой, способны помочь теории тёмной материи взять верх над MOND. «Если звёзды движутся очень быстро в одной галактике и очень медленно в другой, это большая проблема для всех этих альтернативных теорий», — сказал ван Доккум.

МакГоу согласилась с тем, что среди таких галактик есть множество «отщепенцев», и что это действительно проблема для MOND. Однако добавила, что это не делает тёмную материю лучшей интерпретацией небесной механики.

Для поиска точных ответов потребуются новые телескопы. Недавно введённый в эксплуатацию космический телескоп им. Джеймса Уэбба  уже обнаружил далёкие галактики в том виде, в каком они появились, когда только сформировались в ранней Вселенной. Это поможет проверить и уточнить столь разные зарождающиеся теории.

«Главный вывод заключается в том, что мы до сих пор не знаем, что там происходит, — пояснил ван Доккум. — Есть пока не обнаруженные нами галактики, которые очень большие, весьма близко расположенные и обладающие необычными свойствами, но их всё ещё нет в наших текущих каталогах даже после всех этих десятилетий изучения неба».

Источник