Аномальные галактики бросили вызов современным представлениям ученых

Группа астрономов Канады и США доказала существование аномальных галактик, в которых отсутствует темная материя. Ранее считалось, что наличие темной материи в крупных галактиках является обязательным. Результаты новых исследований также бросают вызов альтернативной гравитации (модифицированной механике Ньютона), которые отрицают существование темной материи и ее влияние на движение звезд в галактиках. Статья исследователей опубликована в The Astrophysical Journal Letters. Недавние наблюдения показали, что в крупных галактиках с низкой светимостью (ультрадиффузные) NGC 1052-DF2 и NGC 1052-DF4, расположенных по соседству друг с другом, содержится низкое количество темной материи и мало ярких шаровых скоплений. Чтобы правильно интерпретировать эти данные, необходимо знать точное расстояние до галактик. Ранее ученые определили, что расстояние до NGC 1052-DF2 достигает около 20 мегапарсек (около 60 миллионов световых лет). Для этого они прибегли к методу вершины ветви красных гигантов (англ. tip of the red giant branch, TRGB), который заключается в идентификации телескопом Хаббл самых ярких звезд, относящихся к красным гигантам. Такие звезды на определенной стадии своего существования обладают одинаковой светимостью, поэтому по их относительной звездной величине можно измерить расстояние до галактики, в которой они находятся.

Изображение: NASA, ESA, Z. Shen and P. van Dokkum (Yale University), and S. Danieli (Institute for Advanced Study)

В новой работе астрономы использовали один из основных инструментов космического телескопа Хаббл — камеру ACS (Advanced Camera for Surveys) — для идентификации орбит 40 красных гигантов во второй галактике DF4. Измерив расстояние до галактики методом TRGB, ученые получили значение около 22 мегапарсек. Такой результат исключает альтернативные интерпретации наблюдения малого количества темной материи, которые могли быть верны, если бы галактика находилась намного ближе (около 13 мегапарсек) и была бы, соответственно, меньшей и менее яркой.

Более далекое расстояние означает, что та часть галактики, что состоит из видимой (барионной) материи, более массивна, и влияние этой массы исчерпывающе объясняет движение звезд в DF4. Наоборот, в обычных галактиках, таких как Млечный Путь, на движение звезд влияет дополнительная скрытая масса, что и является доказательством присутствия темной материи. Лишенные темной материи массивные галактики представляют собой проблему для современной космологии, согласно которой скопления невидимого вещества сыграли решающую роль в формировании галактик и галактических скоплений. В то же время под ударом оказываются и представления, отвергающие темную материю и вводящие модифицированную теорию гравитации. Ультрадиффузные галактики DF2 и DF4 подтверждают справедливость законов Ньютона.

Новые данные показывают, что присутствие темной материи в галактиках вовсе не обязательно. Возможно, в ходе своей эволюции ультрадиффузные галактики каким-то образом потеряли темную материю, например, в результате приливного взаимодействия с другими галактиками. Астрономы планируют продолжить поиск ультрадиффузных галактик, чтобы понять, как они образуются, насколько они распространены и какими свойствами обладают, что, в свою очередь, позволит уточнить стандартную космологическую модель.

Вселенская авария: Млечный Путь столкнулся с темной материей

Столкновение помогло сделать важное научное открытие, которое поможет изучить темную материю. Новые исследования ученых показывают, что около 100 миллионов лет назад Млечный Путь столкнулся с карликовой галактикой Насос 2 (Antlia 2). Это столкновение оставило "шрам" на краю газового диска вокруг Млечного Пути в виде характерной ряби, которую видно даже сегодня. Насос 2 составляет примерно треть размера Млечного Пути и является в 100 раз более рассеянной и в 10 тысяч раз более тусклой. Из-за такой слабой видимости галактику открыли только в 2018 году. Однако после детального изучения телескопом Gaia выяснился еще один важный для науки факт – в карликовой галактике доминирует загадочная темная материя. "Это важное научное открытие поможет разработать методы поиска галактик, в которых преобладает темная материя и в конечном итоге решить давнюю загадку о том, что она собой представляет", – заявил ведущий автор исследования астрофизик Суканья Чакрабарти. Темная материя — это тип субатомных частиц, которые теоретически существуют для объяснения массы галактик. Учитывая способ, которым галактики движутся и взаимодействуют во Вселенной, ученые полагают, что кроме обычной материи в их составе есть нечто большее, что их утяжеляет. Астрофизики полагают что темная материя является ответственной за недостающую массу.

Но, несмотря на многочисленные экспериментальные попытки обнаружить темную материю, ее частицы никогда не наблюдалась. Вместо этого исследователи полагаются на косвенные доказательства темной материи, такие как наблюдение за распределением звездного света в скоплениях галактик.

Новый детектор не подтверждает наличия темной материи

Почти 20 лет назад эксперимент DAMA/LIBRA, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо, Италия, начал публиковать данные, демонстрирующие обнаружение изменений сигнала, вызываемых взаимодействием с гало темной материи нашей галактики Млечный путь. Темная материя, предположительно, составляет 27 процентов известной Вселенной, в то время как на нормальную материю приходится всего лишь 4 процента. Оставшиеся 69 процентов Вселенной составляет темная энергия. Поскольку темная материя слабо реагирует с нормальной материей, ее присутствие до настоящего времени устанавливалось лишь по гравитационному влиянию на видимые тела, такие как звезды, галактики и скопления галактик. Согласно одной из распространенных моделей, совместное движение Земли, Солнца и самой Галактики вызывает появление «ветра» из темной материи для наблюдателя, находящегося на Земле – а именно, ветра, состоящего из слабо взаимодействующих массивных частиц (ВИМПов), гипотетических частиц темной материи. При движении Земли по орбите вокруг Солнца направление ее движение может то совпадать, то не совпадать с направлением ветра темной материи, и согласно ученым проекта DAMA/LIBRA, они зафиксировали такое годовое изменение сигнала детектора ВИМПов, причем полученная зависимость носила косинусоидальный характер. Проблема с этими результатами состоит в том, что впоследствии они так и не были ни разу воспроизведены исследователями на других экспериментальных установках.

С целью однозначно разрешить вопрос с данными, полученными в ходе эксперимента DAMA/LIBRA, был построен эксперимент COSINE-100 («Косинус-100»), в котором были использованы те же детекторы на основе кристаллов йодида натрия, что и в детекторе DAMA/LIBRA. В начальный период работы этого детектора ученые не нашли подтверждения сигналам эксперимента DAMA/LIBRA, однако в настоящее время активная работа с этим детектором продолжается. Одна из основных задач, стоящих перед проектом, состоит в том, чтобы воспроизвести результаты, полученные при помощи эксперимента DAMA/LIBRA, или доказать, что их повторение невозможно. Также ученые готовят второй этап эксперимента под названием COSINE-200, в котором будет использовано уже не 100, а 200 килограммов кристаллов йодида натрия. Этот детектор будет размещен в другом месте на территории Южной Кореи.

В нашей Солнечной системе пройдет "ураган" темной материи

В результате столкновения Млечного пути с карликовой галактикой, в Солнечной системе пройдет “ураган” из темной материи. Об этом пишет Physics. К такому выводу ученые пришли после анализа поведения однонаправленного звездного потока S1. Считается, что этот поток и темная материя, проносящаяся мимо нас со скоростью 500 км/с - остатки карликовой галактики, которую миллиарды лет назад поглотил Млечный путь. S1 в прошлом году попал в поле зрения космического телескопа Gaia. Ученые полагают, что каждый из 30 похожих на S1 потоков в нашей галактике - остаток малой галактики, которая столкнулась с Млечным путем, но S1 уникален: его путь пересекается с Солнцем. В определенной мере, S1 повлияет на темную материю в нашей родной галактике: ее плотность увеличится, поскольку он принесет в Млечный путь и “свою” темную материю. По этому случаю, ученые, с помощью вимп- и аксион-детекторов (вимпы и аксионы - разные модели темной материи), надеются зафиксировать и изучить воздействие потока на нашу Солнечную систему.

Поиски темной материи в самых крохотных галактиках Вселенной

Астрофизики из Сиднейского университета, Австралия, и Эдинбургского университета, Шотландия, разработали новый метод измерения количества темной материи в центрах крохотных, «карликовых галактик». Темная материя составляет большую часть массы Вселенной, однако ее до сих пор ни разу не удалось наблюдать напрямую. В зависимости от ее свойств темная материя может быть или плотно сконцентрирована в центрах галактик или более равномерно распределена по относительно большим областям пространства. Сравнивая распределение темной материи в галактиках с подробными математическими моделями, исследователи могут проверить работоспособность той или иной гипотезы относительно природы темной материи. Самые строгие ограничения на свойства темной материи могут быть наложены при изучении самых небольших галактик во Вселенной, карликовых галактик. Самые крохотные из них могут содержать всего лишь по несколько тысяч или десятков тысяч звезд – так называемые «сверхтусклые» галактики. Такие мини-галактики, обнаруживаемые, например, вокруг Млечного пути, почти целиком состоят из темной материи. Однако при попытке выяснить распределение темной материи в таких галактиках ученые сталкиваются с трудностями, поскольку в них содержится очень мало газа и звезд – слишком мало для проведения требуемых измерений.

В новой работе ученые во главе с Филиппо Контента (Filippo Contenta) смогли преодолеть эту трудность, использовав новый метод расчета распределения темной материи в карликовых галактиках, основанный на измерении скорости расширения плотных скоплений звезд, расположенных близ центра галактики. Команда применила разработанный ею метод к недавно открытой сверхтусклой галактике Эридан II и обнаружила в центре этой галактики намного меньше темной материи, чем предсказывалось многими моделями.

Астрономов удивила галактика без темной материи

Необычная галактика, обнаруженная астрономами, заставила ученых по-новому взглянуть на природу темной материи — загадочной субстанции, которая составляет значительную часть Вселенной. Разгадка природы темной материи — одна из важнейших нерешенных задач современной астрофизики. Темная материя — форма материи, чье присутствие во Вселенной фиксируется только благодаря ее взаимодействию с видимой, так называемой барионной материей. История открытия этой загадочной субстанции восходит с первой половине XX века. Еще в 30-х годах прошлого века работавший в США швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что в самых крупных известных на тот момент структурах Вселенной — скоплениях галактик — чего-то не хватает. Отдельные галактики в этих скоплениях двигаются так быстро, что суммарной массы составляющих их звезд не хватало бы, чтобы удержать систему связанной, и, если бы не какая-то «скрытая масса», эти скопления давно бы разлетелись в разные стороны. Что удерживало галактики от разлета, Цвикки не знал и так и не узнал до конца своей жизни. Это могли быть не превратившиеся в звезды газ, пыль, какие-то другие слабо светящиеся объекты. Никаких указаний на природу вещества не было, а встречалась оно, казалось, лишь в галактических скоплениях.

Загвоздка возникла и при наблюдении звезд внутри ближайших к нам галактик, например — Андромеды. Кеплеровская динамика предполагает, что при удалении от центра галактики звезды должны вращаться медленнее, однако наблюдения показывают, что большинство спиральных галактик устроены иначе:

скорости звезд в них почти не зависят от расстояния до центра, как если бы их что-то дополнительно тянуло к центру.

Дальнейшие наблюдения лишь доказывали существование аномалии, и сегодня расчеты показывают, что порядка 80% масс всей вселенной приходится на эту странную темную материю.

Считается, что темная материя равномерно заполняет вселенную, и именно ее сгустки в далеком прошлом притягивали к себе обычную барионную материю, которая образовала наблюдаемые сегодня галактики, в том числе и нашу — Млечный путь.

Однако исследование галактики DF2 астрономами под руководством Питера Доккума из Йельского университета, вновь поставило все с ног на голову.

Галактика DF2 расположена в 65 млн световых лет от нас, и относится к так называемым ультра-диффузным галактикам, в которых число звезд чрезвычайно мало по сравнению с обычными. Она настолько неплотная, что сквозь нее видны более далекие галактики.

Исследовав спектр звезд этой галактики, ученые выяснили, что при размере, сравнимом с размерами Млечного пути, эта галактика имеет примерно в 100 раз меньше звезд, чем наша. В абсолютных величинах вся масса звездного населения галактики была оценена всего 200 млн масс Солнца.

Затем они решили оценить общую массу галактики, для этого они проследили за движением нескольких шаровых звездных скоплений вокруг центра галактики, и поняли, что вращаются они гораздо медленнее, чем в обычных галактиках. Это указало астрономам на чрезвычайно низкую общую массу всей галактики, а с учетом того, что масса звезд известна, — на весьма малую долю темной материи.

«На галактику с массой звезд в 200 млн масс Солнца на темную материю приходится лишь порядка 80 млн масс Солнца», — пояснил Доккум.

Таким бразом общая масса галактики не превышает 300 млн масс Солнца, что гораздо меньше, чем для галактики такого размера.

У ученых сразу возник вопрос: если в странной галактике так мало темной материи (примерно в 400 раз меньше, чем ожидалось), то как она могла образоваться? По одной из версий, она могла родиться, как побочный результат слияния других галактик, на что указывает наличие неподалеку другой эллиптической галактики.

«Мы считаем, что все галактики состоят из звезд, газа и темной материи, смешанных друг с другом, — пояснил Роберто Абрахам, соавтор работы, опубликованной в журнале Nature. — Теперь, похоже, что в некоторых галактиках есть множество звезд и газа, но почти нет темной материи. Это довольно странно».

Лаборатория по исследованию темной материи готовится получить новый детектор

Исследователи из Хьюстонского университета, США, помогают разрабатывать технологию, которая может помочь разрешить одну из величайших загадок современности – тайну темной материи. Ученые считают, что на темную материю приходится 85 процентов материи Вселенной, но никто точно не знает, что она собой представляет. Физики из Колледжа естественных наук и математики Хьюстонского университета работают в рамках программы под названием DarkSide, направленной на поиски темной материи в форме слабо взаимодействующих массивных частиц, или ВИМПов (weakly interacting massive particles, WIMPs). В теории, столкновения ВИМПов с ядрами атомов нормальной материи должны сопровождаться небольшим, низкоэнергетическим «отскоком» последних. Наблюдая эти «отскоки», ученые могут зарегистрировать наличие ВИМПов. В настоящее время для этих целей команда использует детектор под названием DarkSide-50 (DS-50), расположенный под землей в лаборатории Gran Sasso National Laboratory, Италия.

 Недавно команда повысила чувствительность детектора, перейдя с атмосферного аргона на низкорадиоактивный жидкий аргон, добываемый из подземных источников в штате Колорадо. Однако сейчас исследователями разрабатывается детектор нового поколения, который резко поднимет уровень чувствительности установки.

Новый детектор под названием DarkSide-20k (DS-20k) будет похож по конструкции на детектор DS-50, однако в нем будет использоваться не 50, а 20000 килограммов низкорадиоактивного жидкого азота. Это позволит поднять поиски ВИМПов на новый уровень, считают члены научного коллектива. Кроме того, при помощи этого детектора можно будет искать темную материю не только в форме ВИМПов, но и в других гипотетических формах, отмечают ученые из Хьюстонского университета.

Ожидается, что сбор научных данных по программе обновленного эксперимента начнется в 2021 г.

Темная материя заставляет звезды взрываться

Ученые заявили о том, что скопления темной материи, которые пролетают сквозь ядра белых карликов, могут дестабилизировать их и «взрывать», превращая в термоядерные бомбы. Результаты исследований ученых были опубликованы в журнале Physical Review D.

По мнению исследователей, во Вселенной существуют так называемые примордиальные черные дыры, которые возникают благодаря формированию особенно крупных «клубков» темной материи. Подобные черные дыры могут пролетать сквозь звезды, не разрушая их, а вызывая «звездотрясения».

Теперь же исследователи решили выяснить, что произойдет с белым карликом, если сквозь него пролетят небольшие черные дыры с массой от 100 триллионов до миллиона триллионов тонн. Подобная масса черных дыр сопоставима с весом крупных астероидов и средних по размеру спутников.

Согласно выводам ученых, пролет черной дыры сквозь центр белого карлика приведет к разогреву материи и созданию условий, аналогичных тем, что возникают в крупных звездах при их превращении в сверхновую. Результатом этого станет термоядерный взрыв — материя белого карлика разогреется и при этом сожмется до такой степени, что абсолютно все электроны начнут сливаться с протонами, а ядра гелия и других тяжелых элементов — друг с другом.

Стоит отметить, что с самой черной дырой ничего не произойдет, она просто пролетит сквозь звезду.

Ранее сообщалось о том, что ученые разработали «план побега» информации из черной дыры, который бы не нарушал всех законов классической и квантовой физики, и рассказали о том, как подобный эксперимент можно было бы провести на практике. Для него потребуется астронавт, который будет находиться у «горизонта событий», электрон, который он будет держать в руках, и информация о направлении движения (спине) черной дыры. Измерив спин черной дыры и то, какими свойствами обладают частицы света, порождаемые излучением Хокинга, астронавт «отпускает» электрон за горизонт событий.

Обнаружена связь между черными дырами ранней Вселенной и темной материей

Темная материя представляет собой таинственную субстанцию, составляющую большую часть материальной Вселенной и состоящую, как сейчас предполагают, из массивных частиц с необычными свойствами. Интересной альтернативой этой теории является версия, согласно которой темная материя состоит из черных дыр, формировавшихся в течение первой секунды после Большого взрыва. В новом исследовании астрофизик из Центра космических полетов Годдарда НАСА, США, Александр Кашлински показывает, что эта интерпретация хорошо согласуется с нашими знаниями о космических инфракрасном и рентгеновском фоновых излучениях и может объяснить неожиданно большие массы объединяющихся черных дыр, факт слияния которых был обнаружен в прошлом году.

В 2005 г. команда астрономов НАСА при помощи космического телескопа «Спитцер» зафиксировала фоновое инфракрасное излучение в одной из частей неба, демонстрирующее неоднородности. Исследователи тогда сделали вывод о том, что этот свет относится к источникам ранней Вселенной, существовавшим более чем 13 миллиардов лет назад.

В 2013 г. в другом исследовании астрономы обнаружили при помощи рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» аналогичное фоновое излучение, но уже в рентгеновской области спектра. Первые звезды излучали в основном в оптическом и УФ-диапазонах, к тому же при расширении Вселенной свет, излучаемый ими, «растягивался», переходя в ИК-область спектра, поэтому первые звезды не могут отвечать за рентгеновский фон, заключили авторы рабботы. Единственными известными науке кандидатами на роль источников, излучающих в широком диапазоне длин волн, оставались черные дыры.

В своем исследовании Кашлински предполагает, что темная материя на самом деле состоит из черных дыр, подобных тем, что были зарегистрированы недавно при помощи обсерватории LIGO. Согласно его теории в горячей ранней Вселенной такая темная материя дала «зародыши», на которых происходила конденсация газа с образованием звезд, излучающих свет в оптическом и УФ-диапазонах. Кроме того, конденсирующийся газ падал на черные дыры и начинал светиться в рентгене – что объясняет появление наблюдаемого рентгеновского фона. Такой сценарий объясняет соответствие между наблюдаемыми картинами неоднородностей в картах рентгеновского и ИК фона.

Через миллиарды лет, согласно Кашлински, некоторые из черных дыр, рожденных в ранней Вселенной, образовывали пары и сливались в единую черную дыру, излучая гравитационные волны, подобные тем, что зафиксировала в начале года обсерватория LIGO.

Темная материя доминирует в близлежащей карликовой галактике

Темная материя называется «темной» недаром. Хотя количество темной материи превышает количество обычной материи более чем в 10 раз, частицы темной материи до сих пор не были обнаружены. Существование этой загадочной субстанции выводится из гравитационного воздействия, оказываемого ею на галактики. Теперь, измерив массу близлежащей карликовой галактики Треугольник II, ассистент-профессор астрономии Калифорнийского технологического института, США, Эван Кирби, возможно, обнаружил галактику с самой высокой концентрацией темной материи, известной ученым.

Треугольник II представляет собой небольшую, тусклую галактику, расположенную на краю Млечного пути, в состав которой входит примерно 1000 звезд. Кирби измерил массу галактики Треугольник II, проанализировав скорость шести звезд, движущихся вокруг центра галактики. Только шесть из этих звезд были достаточно яркими, чтобы их можно было разглядеть с Земли при помощи 10-метрового телескопа им. Кека. Измерив скорости звезд, Кирби смог рассчитать значения гравитационной силы, действующей на эти звезды и таким образом определить массу этой галактики.

«Значение массы галактики, которое я получил из таких расчетов, оказалось намного больше, чем общая масса всех звезд этой галактики – следовательно, в этой галактике находятся огромные количества невидимой темной материи, участвующей лишь в гравитационных взаимодействиях», – сказал Кирби.

В то же время до сих пор неизвестно точно, является ли то, что измерил Кирби, массой всей галактики Треугольник II. Другая группа исследователей, возглавляемая учеными из Страсбургского университета, Франция, измерила скорости звезд, находящихся за пределами галактики Треугольник II, и обнаружила, что эти звезды на самом деле движутся быстрее, чем звезды, расположенные ближе к центру галактики – то есть вопреки ожиданиям ученых. Это может указывать на то, что эта небольшая галактика была разорвана действием приливных сил со стороны нашей галактики Млечный путь.

Карта темной материи помогает ученым проникнуть в тайны истории ранней Вселенной

Исследователи из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Токийского университета и других научных учреждений во главе с доктором Сатоши Миузаки из Центра перспективных технологий NAOJ начали обзор обширной области неба, ставящий целью выяснение распределения темной материи во Вселенной при помощи новой широкоугольной камеры Hyper Suprime-Cam, которая установлена на телескопе «Субару», расположенном на Гавайях.

Результаты первичных наблюдений, охватывающих область неба в 2,3 квадратных градуса, находящуюся в созвездии Рака, продемонстрировали девять крупных сгустков темной материи, масса каждого из которых сопоставима с массой скопления галактик. Исследования распределения темной материи во Вселенной и его изменения со временем необходимы для понимания роли темной энергии, которая управляет расширением Вселенной. Эти первые результаты показали, что астрономы теперь располагают методами и инструментами, необходимыми для понимания темной энергии. Следующим шагом исследовательской группы станет расширение поля наблюдений, охватываемого обзором, до одной тысячи квадратных градусов на небе — что позволит, возможно, разгадать тайну темной энергии и расширения Вселенной.

Составление крупномасштабных карт темной материи играет ключевую роль в понимании свойств темной энергии, управляющей расширением нашей Вселенной. Эти предварительные научные результаты демонстрируют, что при помощи современных методов исследования и камеры Hyper Suprime-Cam команда готова исследовать изменение распределения темной материи по Вселенной с течением времени, раскрыть тайну темной энергии и изучить историю расширения Вселенной в мельчайших подробностях.