Дедалі поповнюється каталог величезних, але тьмяних галактик, отаких як Dragonfly 44 (з англ. – бабка), що змушує астрономів шукати нові теорії галактичної еволюції.

Вступ

У 2016 році астрономи на чолі з Пітером ван Доккумом з Єльського університету опублікували сенсаційну статтю про відкриття галактики, настільки тьмяної, але настільки ж великої й масивної, що вона мала б бути практично повністю невидимою. Вони підрахували, що галактика, яка отримала назву Dragonfly 44, на 99,99% складається з темної матерії.

Розгорнулася палка дискусія щодо фізичних властивостей Dragonfly 44, яка так і залишилася незавершеною. Між тим, було виявлено вже понад 1000 подібних великих, але тьмяних галактик.

Dragonfly 44 і подібні до неї відомі як ультрадифузні галактики (UDG). Хоча розмірами ці галактики можуть зрівнятися з найбільшими звичайними галактиками, вони надзвичайно тьмяні – настільки тьмяні, що при спостереженні неба з телескопами «завдання полягає в тому, щоб під час фільтрації фонових шумів, випадково не затерти ці галактики», – розповів Пол Беннет, астроном з Інституту досліджень космосу за допомогою космічного телескопа в Балтіморі. Яскравий зореутворюючий газ, якого так багато в інших галактиках, схоже, зник в UD галактиках, залишив тільки-но скелет зі старих зірок.

Існування цих галактик викликало справжню колотнечу навколо теорії галактичної еволюції, де не передбачено формування схожих структур. «Вони не з’являлися в симуляціях», – зауважив ван Доккум. «Щоб зробити галактику такою великою, але тьмяною, потрібно зробити щось особливе».

Та вже з’явилися нові сміливі теорії, які намагаються пояснити, як сформувалась Dragonfly 44 та інші ультрадифузні галактики. Можливо, ці гігантські плями світла містять нові докази присутності прихованої темної матерії, яка доклала до цього руки.

Забагато темної матерії

Коли гравітація стягує скупчення газу і зірок, їхні сукупні енергії та імпульси змушують цю мішанину роздуватися й обертатися. Врешті-решт виникає галактика.

Та є одна проблема. Коли галактики починають обертатися, вони мають розриватися на частини. Скоріш за все, вони не мають достатньої маси – а отже, і гравітації – для того, щоб утримувати зірки та газ. Концепція темної матерії була створена, щоб компенсувати нестачу гравітації. У цій картині Всесвіту галактика знаходиться всередині більшого скупчення частинок, які ніяк не взаємодіють зі світлом. Це «гало» з темної матерії утримує галактику та дозволяє їй зберегти форму при обертанні.

Один із методів – оцінити швидкість обертання галактики, а отже, і кількість темної матерії в ній, полягає в підрахунку сферичних скупчень зірок в ній. «З теоретичної точки зору ми не знаємо, чому, – розповів Беннет, – але кількість цих “кулястих скупчень” тісно корелює з тими властивостями, які нам зараз так складно виміряти». У статті 2016 року ван Доккум нарахував 94 зоряних скупчень всередині Dragonfly 44 – гігантська цифра для галактики, яка містить так мало видимої матерії. Фактично, це означає, що галактика має надзвичайно велике гало темної матерії.

Ніколи раніше ми не спостерігали нічого подібного. Ван Доккум і співавтори припустили, що Dragonfly 44 може бути «невдалим Чумацьким Шляхом»: галактикою з гало темної матерії розміром з Чумацький Шлях, яка на початку свого життя стала жертвою загадкової події, що позбавила її зореутворюючого газу, лишивши в ній лише зістарені зірки та гігантське гало.

Чи взагалі існує темна матерія

Коли з’явилися новини про Dragonfly 44, прихильник MOND Стейсі МакГо, астроном з Західного резервного університету Кейса, підрахував на основі співвідношення її маси до світла, що галактика має обертатися повільніше, ніж вказували попередні розрахунки ван Доккума. Тоді MOND на думку багатьох не спрацювала.

Але потім у 2019 році група ван Доккума зменшила швидкість обертання Dragonfly 44, спираючись на чіткіші дані. MOND знову запрацювала. “Dragonfly 44 стала прикладом того, як дані еволюціонують, аби корелювати з MOND”, – впевнений МакГо.

Однак, для більшості астрономів, які переконані в існуванні темної матерії, повільніша швидкість обертання просто вказувала на менше ніж очікувалось гало Dragonfly 44. У 2020 році окрема група дослідників ще трохи зменшила гало, нарахував значно менше кулястих скупчень, але ван Доккум оскаржує цей результат. Хоча розмір гало залишається невизначеним, можливо, воно не таке масивне, як передбачалося спочатку, а це знову ж таки дозволяє припустити, що Dragonfly 44 ніколи не була невдалим Чумацьким Шляхом.

Стара Велика Галактика

Нещодавно відкрита особливість ще більше ускладнила цю загадку.

У статті, опублікованій в серпні, група ван Доккума виявила, що Dragonfly 44 вкрай давня галактика, яка утворилася десь 10-13 мільярдів років тому.

Але така стара галактика не мала б бути такою великою, як Dragonfly 44. Об’єкти раннього Всесвіту, зазвичай, компактніші, оскільки вони формувалися до швидкого розширення Всесвіту.

Ба більше, таку стару, пошарпану галактику вже мало б бути повністю розшматовано. Те, що Dragonfly 44 тримається разом, означає, що вона однак, оточена важким гало темної матерії – знову ж теоретично відповідаючи гіпотезі «невдалого Чумацького Шляху». «Це дійсно цікаве пояснення, тому воно мені подобається, але я не знаю, чи воно правильне», – зауважує ван Доккум.

Інше пояснення, гіпотеза «високого обертання», стверджує, що дві невеликі галактики злилися під час обертання в одному напрямку, внаслідок чого галактика, що утворилася, тобто Dragonfly 44, набула кутового моменту обертання обох. Через це вона почала обертатися швидше, розширюючись і виплескуючи свій зореутворюючий матеріал.

Сліпуче розмаїття ультрадифузних галактик

Під час ретельного вивчення Dragonfly 44 астрономи також внесли до каталогів величезну і розмаїту колекцію інших ультрадифузних галактик. Отримані дані наштовхують їх на висновок, що галактики мають більше шляхів формування, ніж наука припускала раніше.

У деяких новознайдених UDG, схоже, повністю відсутня темна матерія. Група Ван Доккума виявила одну таку галактику у 2018 році, а потім помітила залишки інших поблизу. У травні цього року команда висловила свої припущення на сторінках журналу Nature. Там ішлося, що цей ланцюжок галактик утворився в результаті давнього зіткнення двох галактик. Це зіткнення сповільнило потік газу в галактиках, але їхня темна матерія продовжувала рухатися так, ніби ніяких змін не сталося. Потім газ стиснувся в скупчення зірок, зрештою утворивши смугу галактик, позбавлених темної матерії.

Натомість у 2018 році Беннет виявив дві UDG, які свідчать про іншу теорію утворення подібних структур. У кожному випадку приливні сили з важкої сусідньої галактики, схоже, розірвали UDG, коли сусідка видула та поцупила газ з цих галактик. (Ця гіпотеза не може відкрити таємницю Dragonfly 44, яка знаходиться надто далеко від важких галактик).

Спантеличує те, що у вересневій статті повідомляється про спостереження новітнього зореутворення в UDG, що суперечить уявленню про те, що вони містять лише старі зорі.

Тож, маємо цілу низку UDG, які виглядають однаково для зовнішнього спостерігача, але відрізняються своєю начинкою, що може бути ще одним доказом на користь теорії темної матерії, а не MOND. «Якщо зірки рухаються дуже швидко в одній галактиці, і дуже повільно в іншій, це велика проблема для таких альтернативних теорій», – додає ван Доккум.

МакГо погоджується, що якщо серед популяції UDG є «справжні винятки», то «це дійсно новий виклик для концепції MOND». Однак, зазначив він, «це зовсім не означає, що темна матерія автоматично стає кращою версією».

Для пошуку остаточних відповідей потрібні нові телескопи. Нещодавно введений в експлуатацію космічний телескоп Джеймса Вебба вже отримав світлини далеких галактик у часи, коли вони формувалися в ранньому Всесвіті, які допоможуть перевірити та вдосконалити чинні наукові гіпотези.

«Головний підсумок наших досліджень полягає в тому, що ми все ще не знаємо, що воно таке», – підсумовує ван Доккум. «Є галактики, які ми ще не відкрили, які дуже великі, знаходяться дуже близько і мають незвичайні властивості, і їх немає в наших нинішніх каталогах навіть після десятиліть вивчення неба».

Джерело