Астрофизики подозревают, что «темное вещество» может состоять из особых сверхлегких частиц, и есть шанс их обнаружить во время наблюдений сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
Темная материя пока настолько непостижима, что среди ученых продолжаются ожесточенные дискуссии о том, материя это вообще или нет (гипотеза MOND). В основном физики все же исходят из того, что это должно быть некое вещество, поскольку одну вещь насчет него в космосе совершенно точно распознают по косвенным признакам: вещество имеет огромную массу и, соответственно, гравитацию.
Когда ученые оценили, какая сила нужна, чтобы собрать сотни миллиардов звезд в единую галактическую конструкцию и продолжать крепко держать ее долгие миллиарды лет, они поняли, что по большей части это какая-то неведомая сила. На одной взаимной гравитации всех видимых объектов практически ни одна галактика не продержалась бы. Доступные нашей оптике части галактик — маленькие жемчужины внутри огромных раковин скрытой массы.
В стремлении раскрыть одну из главных тайн современной науки ученые теоретически предполагают, чем эта темная материя может оказаться, и моделируют, как она проявит себя в том или ином случае.
Одна из интересных версий гласит, что при всей своей огромной общей массе это вещество состоит из частиц, которые как минимум в миллиарды раз легче электронов, — так называемых ультралегких (или сверхлегких) бозонов. По расчетам, эти частицы будут взаимодействовать с обычными крайне слабо (разумеется, если не считать гравитационного взаимодействия), так что на роль невидимых и неосязаемых вполне подходят.
Тем не менее вблизи какого-то особо массивного скопления понятного нам вещества такую сверхлегкую темную материю в теории заметить можно. К примеру, вблизи черной дыры, особенно если она не одна, а в тесном взаимодействии, скажем, с другой черной дырой либо со звездой. Их связь порождает явление под названием «гравитационные волны»: они расходятся по ткани пространства-времени, словно круги по воде.
Но если их окружает невидимое плотное облако сверхлегких бозонов, то его собственное притяжение будет вмешиваться в процесс и изменять характер распространения гравитационных волн. Так астрофизики и рассчитывают его обнаружить.
Как пишет в Physical Review Letters команда исследователей во главе с профессором Франциско Дьюком из Института гравитационной физики Макса Планка (Германия), их цель — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, причем такие, которые находятся в процессе поглощения звезды или черной дыры звездной массы и распространяют гравитационные волны.
Наблюдать, как они колышут ткань космоса и, возможно, выдают присутствие частиц темной материи, астрофизики надеются с помощью нового детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Его планируют запустить в космос в 2034 году.
Тёмная материя – невидимый каркас, который, как считается, удерживает галактики вместе. За почти столетие исследований её так и не удалось напрямую обнаружить, но учёные научились наблюдать косвенные проявления, и теперь одна из команд использовала эти методы, чтобы создать самую детализированную на сегодня карту тёмной материи.
Исследователи опубликовали карту в понедельник в журнале Nature Astronomy. Для её создания они измеряли крошечные искажения форм сотен тысяч галактик, снятых телескопом Уэбба. Это позволило восстановить распределение массы – включая тёмную материю – и отобразить невидимую структуру Вселенной.
Астрономы полагают, что обычная материя – частицы, взаимодействующие со светом и потому наблюдаемые – составляет лишь шестую часть всей материи во Вселенной. Остальное приходится на тёмную материю, которая не испускает и не поглощает свет, взаимодействуя с окружающим миром только через гравитацию.
Согласно стандартной космологической модели, тёмная материя должна существовать, чтобы объяснить определённые гравитационные эффекты – например, неожиданно быстрое вращение галактик или то, что они держатся вместе прочнее, чем должны были бы. Лучший способ косвенно "увидеть" тёмную материю – измерить её гравитационные эффекты, чем и занялись ученые, используя слабое гравитационное линзирование – тонкое искажение света от далёких галактик, вызванное гравитацией промежуточной массы.
Снимки Уэбба высокого разрешения из обзора COSMOS-Web позволили команде измерить формы 129 галактик и построить карту материи с разрешением более чем в два раза выше, чем у предыдущих карт с телескопа Хаббла.
Самые яркие области карты отмечают места, где сконцентрированы большие массы – обычно там находятся массивные скопления галактик. Тусклые нитевидные структуры, соединяющие эти яркие пятна, прослеживают обширные филаменты, которые связывают галактики воедино, а более тёмные, гладкие области показывают, где материи относительно мало.
Проще говоря, карта – это картина каркаса Вселенной.
Разрешение новой карты не только даёт детальный вид структуры Вселенной, но и позволяет астрономам наблюдать эту структуру гораздо дальше в прошлом, чем предыдущие карты. Она прослеживает тёмную материю до эпохи, когда галактики формировались наиболее активно, и потому служит отправной точкой для проверки теорий о природе тёмной материи, а также моделей галактических окружений в период пикового звёздообразования – примерно 8–11 миллиардов лет назад.
Карта согласуется с нашей текущей космологической моделью, которая предсказывает, что тёмная материя формирует паутинообразную структуру, внутри которой растут галактики. С этим более чётким видом мы можем проверять эти предсказания точнее и искать небольшие расхождения, которые могут намекать на новую физику – например, альтернативные свойства тёмной материи или тонкие отклонения от стандартной гравитации.
Качество данных также открывает двери к изучению эволюции материи во времени. Это поможет следующему проекту – созданию трёхмерных карт массы Вселенной. Космические телескопы нового поколения вроде телескопа Нэнси Грейс Роман (NASA) и Евклид (ESA) поддержат эту работу, производя данные высокого разрешения, охватывающие гораздо большие участки неба.
Команда астрономов сообщила о возможном обнаружении темной материи – невидимого вещества, которое, как считается, составляет более 85% всей материи во Вселенной. Заявление вызывает споры, и результаты, опубликованные в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, требуют подтверждения дальнейшими наблюдениями. Однако пока это одно из самых захватывающих событий в поисках этого вездесущего призрака космоса.
Автор исследования Томонори Тотани, астроном из Токийского университета.
Это может стать решающим прорывом в разгадке природы темной материи.
Обычная барионная материя не существует в достаточных количествах, чтобы объяснить формирование галактик – у них просто недостаточно массы для гравитационного притяжения, необходимого для удержания структуры. Темная материя, превосходящая обычную в соотношении пять к одному, стягивает звезды и планеты галактик своей гравитацией, но не взаимодействует с обычной материей никаким другим способом. Это делает доказательство её существования крайне сложным.
Одна из преобладающих теорий заключается в том, что темная материя состоит из WIMP – слабо взаимодействующих массивных частиц. При столкновении WIMP с их античастицами они должны аннигилировать друг друга, высвобождая энергию в форме гамма-лучей. Именно эти гамма-излучения ученые пытаются обнаружить десятилетиями.
Астрономы проанализировали данные за 15 лет, собранные космическим гамма-телескопом Fermi NASA в области вблизи центра Млечного Пути, и обнаружили гало гамма-лучей, которое нельзя объяснить окружением.
Мы обнаружили гамма-лучи с энергией фотонов 20 гигаэлектронвольт, распространяющиеся в структуре, похожей на гало.
Интенсивность излучения соответствует аннигиляции WIMP с массой примерно в 500 раз больше массы протона.
Некоторые коллеги Тотани настроены скептически. Кинва Ву, теоретический астрофизик из Университетского колледжа Лондона сказала:
Нам нужны экстраординарные доказательства для экстраординарного заявления. Этот анализ пока не достиг такого статуса.
Тотани осознаёт, что обнаружение пока не является однозначным. Один из способов подтвердить заявление – обнаружить ту же сигнатуру гамма-излучения в карликовых галактиках, вращающихся вокруг Млечного Пути. Это может быть достигнуто, когда накопится больше данных, и если так, это предоставит ещё более убедительные доказательства того, что гамма-лучи происходят от темной материи.
Нужна ли темная материя для объяснения движения космических тел? Видимо, все же нужна. Астрофизики попробовали «помирить» альтернативную гипотезу с наблюдениями в окрестностях Солнечной системы и даже внутри нее — с орбитой Сатурна. Для фанатов MOND результаты оказались неутешительными.
Хорошая теория гравитации должна объяснять как можно больше гравитационных феноменов, используя минимум параметров. Общая теория относительности в общем-то хорошо работает в масштабах от микрометров до десятков гигапарсек. И все же есть феномены, которые она не может объяснить. Например, почему края галактических дисков вращаются быстрее расчетов и при этом не разлетаются. Так появилась популярная сегодня гипотеза о существовании темной материи. Конечно, есть и альтернативы. Одна из самых популярных альтернативных теорий гравитации — модифицированная ньютоновская динамика (MOND).
В основе MOND лежит идея, что ньютоновская сила тяготения не работает при малых ускорениях — менее 10-10 метров в секунду квадратную. Гипотезу предложил в 1983 году израильский физик Мордехай Милгром. Она как раз хорошо объясняет движение тел во внешних областях галактик. Впрочем, у темной материи тоже нет с этим проблем.
Чтобы проверить MOND, нужны другие исследования — конечно, основанные на больших и точных массивах данных наблюдений. Именно такие данные теперь есть у астрономов благодаря масштабным обзорам неба вроде проекта «Гайя». Именно поэтому в последние годы появляется все больше работ на эту тему.
Авторы новой статьи, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, попробовали «помирить» MOND сразу с несколькими наборами данных: измерениями зонда «Кассини» у Сатурна, движением двойных звезд со значительным периодом обращения вокруг общего центра в окрестностях Солнечной системы и так называемым соотношением центростремительного ускорения (radial acceleration relation, RAR).
Термином RAR обозначают обнаруженное около семи лет назад универсальное соотношение между центростремительным ускорением объектов в галактиках, которое выводят по наблюдениями, и тем, которое получают из оценки видимой материи в галактике. В ньютоновской теории эти значения должны совпадать. В реальности они расходятся. Главное — в дисковых галактиках это расхождение, по сути, и должно быть прямым следствием модели MOND.
Раз эффект MOND заметен в масштабе галактик, что подтверждается расчетами и исследованиями, то он должен работать и на меньших расстояниях, даже в пределах Солнечной системы. Конечно, при этом его должно быть труднее заметить. Именно поэтому авторы новой работы использовали данные зонда «Кассини» за 13 лет его полета вокруг Сатурна. Благодаря такому долгому периоду работы астрономы смогли невероятно точно измерить орбиту планеты по задержке передачи сигналов между зондом и Землей.
Идея проверки в том, что притяжение остальной Галактики должно чуть отклонять орбиту Сатурна. Из-за этого влияния расчеты орбиты по ОТО не должны совпадать с расчетами по MOND. Остается лишь сопоставить их с данными наблюдений. Ученые сделали это еще 10 лет назад. Тогда им не удалось найти аномалий в орбите «окольцованного» гиганта. В этот раз исследователи пошли дальше — попробовали «подкрутить» гипотезу MOND под данные «Кассини».
Несмотря на то что MOND хорошо объясняет движение тел в масштабе Галактики — и новые расчеты это подтвердили, — альтернативная гипотеза совсем не сочетается с данными по орбите Сатурна.
«Вероятность, что MOND совпадет с данными „Кассини”, равносильна выпадению решки 59 раз подряд при подбрасывании монетки», — пояснил один из авторов исследования. Для сравнения: отклонение в пять сигм, «золотой стандарт» для научного открытия, соответствует выпадению решки 21 раз подряд.
Кривая вращения галактики M33 (желтые и синие точки) в сравнении с ожидаемой кривой вращения, рассчитанной по видимой материи. Объяснить это расхождение можно влиянием темной материи. MOND объясняет его тем, что при достаточно малых ускорениях ньютоновская сила тяготения перестает работать
Единственное, что может «спасти» гипотезу MOND, — гораздо более резкий переход от ньютоновского тяготения к тяготению MOND. Вот только это уже не совпадает с расчетами по соотношению RAR, которое в последние годы доказало свою целесообразность.
Более того, MOND не работает и в масштабе двойных звезд со значительным периодом обращения вокруг общего центра. Ученые сравнили свои расчеты с результатами исследования таких объектов, опубликованного в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в январе 2024 года. По MOND такие звезды должны вращаться друг вокруг друга на 20% быстрее, чем показывают расчеты по ОТО. Астрономы не видят подобного расхождения в данных. Чтобы гипотеза MOND работала на таких расстояниях, ее нужно сильно править. Хотя есть ученые, которые считают, что двойные звезды как раз доказывают MOND. Правда, в таких масштабах очень многое зависит от оценки погрешностей измерений.
В марте 2024-го на сайте препринтов arXiv вышла еще одна работа, посвященная MOND. Ее авторы проверили гипотезу на распределении и движении транснептуновых объектов. И снова альтернативная гипотеза «проиграла» ОТО. Если бы она была верна, «наклон» орбит этих объектов к плоскости Солнечной системы был бы гораздо больше.
В общем, по результатам нескольких новейших работ можно сделать вывод, что модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) нужно либо еще сильнее модифицировать, либо отказаться от нее в пользу других гипотез.
Моделирование космического листа, как он виден сбоку, с пустотами сверху и снизу. Яркая область в середине снимка — Местная группа галактик
Ученые из Гронингенского университета провели масштабный анализ движения Местной группы галактик в локальном объеме космоса. Исследователи создали детальную модель распределения массы, которая объясняет аномальный порядок вокруг Местной группы, включающей Млечный путь, галактику Андромеда и несколько десятков небольших галактик. Ученые показали, что вся Местная группа надежно защищена гигантской плоской структурой из темной материи.
Космическая паутина. Вселенная в больших масштабах напоминает не хаотичное облако, а гигантскую трехмерную паутину. Ее нити и узлы состоят из темной материи, которая не излучает света, но составляет около 85% всей массы вещества. Обычные галактики располагаются вдоль этих невидимых волокон. Описанный в исследовании «Местный лист» является частью этой глобальной сети. Он выполняет роль своеобразного фундамента, на котором выстроена архитектура нашего галактического дома.
Наше положение во Вселенной долгое время казалось астрономам странным из-за сочетания трех факторов: существования Местного листа, наличия пустой области (Местного войда) и необычайно спокойного расширения пространства вокруг нас («тихий» поток Хаббла).
Космическая паутина.
Новое исследование Эвуда Вемпе и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает, что Млечный Путь и Андромеда не просто дрейфуют в пустоте, а вмонтированы в массивную структуру из темной материи, напоминающую по форме тонкий блин.
Эта структура своей гравитацией буквально «прижимает» галактики к плоскости, создавая ту самую плоскую конфигурацию, которую мы наблюдаем. Для проверки этой гипотезы ученые проанализировали траектории 31 изолированной галактики, используя их как маркеры расширения пространства. Моделирование показало, что наблюдаемые скорости перемещения возможны только в том случае, если скрытая масса сконцентрирована в узком слое толщиной до 10 мегапарсек, над и под которым располагаются глубокие пустоты.
Местный лист и космический порядок
Различные проекции плотности ансамбля галактик при симуляциях, нормированных по космической средней плотности. Система координат центрирована на Млечном Пути, так что x лежит вдоль оси Млечный Путь–M31 (галактика Андромеды), y — в направлении возрастающего склонения, а z — в направлении возрастающего прямого восхождения в положении M31.
Такая геометрия распределения темной материи естественным образом объясняет отсутствие хаоса в движениях наших ближайших соседей. Гравитация листа вытягивает материю из прилегающих областей, формируя пустые пространства — войды, и одновременно стабилизирует расширение Вселенной внутри самого слоя.
Это делает поток Хаббла «тихим» и регулярным, несмотря на огромную массу Млечного Пути и Андромеды, которые в иных условиях должны были бы вносить заметные искажения в общую картину. Ученые отмечают, что построенная ими модель не требует привлечения новой экзотической физики и полностью согласуется с текущими представлениями об эволюции космоса.
Как отмечает ведущий автор работы Эвуд Вемпе: «Мы исследуем все возможные локальные конфигурации ранней Вселенной, которые в конечном итоге могли привести к образованию Местной группы. Замечательно, что теперь у нас есть модель, которая согласуется с современной космологической теорией, с одной стороны, и с динамикой нашей локальной среды — с другой». Наше место в космосе оказалось не случайным скоплением звезд, а частью строго упорядоченной крупномасштабной структуры, что очень хорошо для нас, поскольку практически исключает аномальные явления, которые могли бы угрожать Млечному пути и в конечном счете жизни на Земле.
Новое исследование предполагает, что Млечный Путь и вся Местная группа галактик расположены в обширном "листе" темной материи, окруженном космическими пустотами с обеих сторон. Открытие может объяснить загадочное движение близлежащих галактик, которое противоречит гравитационному влиянию соседних областей.
Работа, опубликованная в Nature Astronomy, связана с открытием американского астронома Эдвина Хаббла почти столетие назад о том, что вселенная расширяется. Хаббл заметил, что практически каждая наблюдаемая галактика удаляется от Земли со скоростью, пропорциональной расстоянию.
Однако существовало заметное исключение – Андромеда, ближайшая крупная галактика к нашей, которая движется в нашу сторону. Это озадачивало астрономов, так как Андромеда, Млечный Путь и десятки других близлежащих галактик гравитационно связаны друг с другом, формируя Местную группу. Огромная гравитация группы должна притягивать все составляющие её галактики друг к другу, а не только Андромеду.
Чтобы решить давнюю астрономическую загадку, исследователи создали "виртуального двойника" Местной группы и десятков других галактик за её пределами. Команда симулировала эволюцию с нуля на основе наблюдений космического микроволнового фона – остаточного света от Большого взрыва, что позволило определить начальные условия. Затем движения симулированных галактик сравнили с реальными аналогами и обнаружили совпадение.
Виртуальный двойник оказался точным. Исследователи выяснили, что симуляция имеет смысл только в том случае, если вся Местная группа находится в огромном "листе" темной материи миллионы световых лет в поперечнике. Темная материя – невидимое и всё ещё гипотетическое вещество, которое, как считается, составляет около 85% всей массы во вселенной.
Астрономы впервые выдвинули гипотезу о существовании темной материи, наблюдая, что вся видимая материя в галактиках недостаточна для удержания их вместе. Темная материя обеспечивает гравитационный каркас, необходимый для поддержания всего на месте, оставаясь невидимой и не взаимодействуя с обычной материей. Стандартная модель космологии утверждает, что целые галактики "подвешены" в огромных сгустках темной материи, называемых гало, с массой, возможно, в триллионы раз превышающей массу Солнца.
Традиционно считается, что эти гало представляют собой гигантские комковатые сферы, а не огромный "лист", как предполагают исследователи. Однако команда утверждает, что плоская геометрия даёт аккуратное объяснение поведению близлежащих галактик.
В листоподобной геометрии соотношение скорости и расстояния зависит не только от заключенной массы, как в сферическом случае, но также от массы на больших расстояниях.
Масса на дальних краях листа темной материи слегка тянет всё внутри наружу, тогда как за границами плоскости находится пустота без галактик.
Ведущий автор исследования Эвауд Вемпе из Института Каптейна в Гронингене, Нидерланды, называет работу первой оценкой распределения и скорости темной материи в Местной группе.
Мы исследуем все возможные локальные конфигурации ранней вселенной, которые в конечном итоге могли привести к Местной группе. Замечательно, что теперь у нас есть модель, согласующаяся с текущей космологической моделью с одной стороны и с динамикой нашего локального окружения с другой.
Открытие требует дальнейшего подтверждения независимыми наблюдениями других галактических групп. Исследователи планируют использовать данные космических телескопов для проверки листоподобной структуры темной материи за пределами Местной группы.
Канадский физик Раджендра Гупта сверил свою модель эволюции Вселенной с данными наблюдений. С одной стороны, результаты расчетов совпали с предсказанными, с другой — его модель изначально можно было подогнать под данные наблюдений.
С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» мы находим все больше галактик в молодой Вселенной, общая масса и старые звезды которых не совсем вписываются в принятые гипотезы об эволюции таких объектов. В современном космосе галактики и звезды растут значительно медленнее. Многие ученые считают, что причина быстрого роста первых звезд и галактик — особые условия в молодой Вселенной. Другие же уверены, что пересматривать нужно не модели формирования звезд, а всю стандартную космологическую модель. Одну такую альтернативную теорию развивает Раджендра Гупта — профессор физики из Оттавского университета (Канада).
Он объединил гипотезу о том, что фундаментальные физические константы меняются с развитием Вселенной (модель CCC, сovarying сoupling сonstants), и модель «старения света» (TL). Согласно последней, летящие сквозь пространство фотоны «устают», то есть теряют энергию, от столкновений с другими частицами, именно поэтому возникает красное смещение (из-за меньшей энергии увеличивается длина световой волны).
«В стандартной космологии считается, что ускоряющееся расширение Вселенной провоцирует темная энергия. На самом деле причина не в темной энергии, а в слабеющих с расширением силах природы», — объяснил Гупта.
Чтобы подтвердить альтернативную модель CCC+TL, ее нужно проверить на множестве доступных сегодня данных наблюдений. В частности, на «стандартном» наборе: барионных акустических осцилляциях, реликтовом излучении, первичном нуклеосинтезе и возрасте шаровых звездных скоплений. В новой работе, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, физик протестировал ее на «следах» барионных акустических осцилляций.
Что такое барионные акустические осцилляции? В первичной плотной горячей плазме «новорожденной» Вселенной взаимодействие сил притяжения и отталкивания порождало «звуковые волны» в материи (осцилляции). Из-за этого вещество перестало быть таким уж однородным. Когда оно охладилось, более плотные области наконец притянули материю, и так образовались первые звезды и галактики.
Во-первых, эти звуковые волны «отпечатались» в реликтовом излучении. Во-вторых, их «следы» должны быть видны в распределении галактик в более современной Вселенной. Именно на этих данных Гупта проверил свою альтернативную модель CCC+TL.
В расчете по галактикам ученый использовал результаты расчетов из работы коллег. Там астрофизики взяли сотни тысяч галактик, свет которых шел до нас от 1,4 до шести миллиардов световых лет (красное смещение z = 0,11 до 0,65), распределили их на несколько групп по расстоянию и посчитали для них значение «следов» барионных осцилляций. У Гупты расчеты по этим данным наблюдений совпали с предсказанными по его модели CCC+TL.
Теоретически, если следовать стандартной космологической модели, в которой космологические постоянные не меняются, эти данные должны коррелировать со «следами» осцилляций в реликтовом излучении. В модели CCC+TL постоянные не остаются таковыми.
По результатам расчетов получилось, что в модели CCC+TL «горизонт звука» на несколько порядков отличается от стандартной космологической модели. «Горизонт звука» — то, насколько «звуковые волны» успели разлететься в первичной плазме до того, как она остыла. По стандартной модели — на 135 килопарсек. По модели CCC+TL — на 15,5 мегапарсека.
Это ожидаемо, потому что по CCC+TL получается, что и возраст Вселенной в два раза больше — 26,7 миллиарда лет. Все в ней развивалось с «нормальной» скоростью, и у первых звезд с галактиками было достаточно времени на формирование. В то же время для объяснения их формирования уже не нужна темная материя. Проблема CCC+LT в том, что хоть она и может объяснить данные наблюдений через изменение «постоянных», невозможно экспериментально доказать, что эти изменения действительно были.
Важно, что гипотеза о «старении света» считается опровергнутой. Например, еще советский астроном Яков Зельдович подчеркивал, что красное смещение в модели «старения света» должно быть разным при разных длинах волн — то есть спектральная картина ранней Вселенной должна иметь совсем другие распределения типичных спектров, чем для окружающей нас поздней Вселенной. Однако на практике этого не наблюдается.
Независимость красного смещения от длины волны наблюдаемых источников из древней Вселенной легко объяснить исходя из того, что она расширяется. Тогда фотоны по пути из ранней Вселенной к нам, в позднюю, просто растягиваются вместе с пространством, что и меняет длину их волны. Но в модели «старения света» расширения Вселенной нет, а значит, независимость красного смещения для разных длин волн по сути необъяснима.
Астрономы рассмотрели редкий пример гравитационной линзы — галактику, которая исказила и увеличила изображения даже не одного, а как минимум двух скрытых за ней объектов. Выяснилось, что они, в свою очередь, позволили обнаружить нечто необычное в самой «линзе»: на окраине этой крупной галактики, похоже, скрывается массивный и плотный сгусток невидимой массы — возможно, темной материи. Если так, то это противоречит представлениям многих ученых о структуре «темного вещества» Вселенной.
Система гравитационного линзирования SDSSJ0946+1006 («Джекпот»).
Вселенная предоставляет уникальный астрономический инструмент для изучения далеких объектов — гравитационные линзы. Когда, например, галактика оказывается между нами и более далеким источником света, она гравитацией искривляет вокруг себя пространство-время. Свет скрытого за ней объекта огибает эту невидимую «воронку», в результате он виднеется из-за нее чаще всего в виде характерной дуги или даже целого кольца — так называемого кольца Эйнштейна. Это позволяет наблюдать галактики, которые трудно рассмотреть даже в самый современный рукотворный телескоп.
В 2008 году удалось обнаружить особенно интересный случай — двойное кольцо Эйнштейна. Его создает гравитация массивной эллиптической галактики, расположенной примерно в трех миллиардах световых лет от нас. Как выяснилось, она линзирует сразу две оказавшиеся позади нее гораздо более далекие галактики.Система SDSSJ0946+1006 получила прозвище Джекпот: для астрономов найти подобное — словно выиграть в лотерею. Позднее появились подозрения, что есть и третий источник, причем отображенный дважды. После этого многосоставную конфигурацию предложили переименовать в triple rollover — «тройной выигрыш».
Недавно команда ученых из Китая, Великобритании и США еще раз детально рассмотрела эту любопытную картину и снова заметила нечто необычное. К примеру, одно из искаженных изображений галактик оказалось на 10-15 процентов ярче, чем предсказывали расчеты. В других местами прослеживаются труднообъяснимые дополнительные искривления. Само их расположение немного отличается от ожидаемого. Ученые рассказали об этом в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv․org.
Компьютерное моделирование показало, что эти аномалии должен вызывать объект массой около 100 миллиардов масс Солнца и диаметром в несколько тысяч световых лет — примерно как карликовая галактика. При этом, по расчетам, он расположен не в видимой части галактики-линзы, а в окружающем ее гало.
Предположение о поглощенной галактике исследователи исключили: в таком случае она была бы различима. Не стали рассматривать и версию о том, что это сверхмассивная черная дыра: выглядит абсурдным при такой массе, размерах и местоположении объекта. К тому же у нее должен быть заметный аккреционный диск — яркий «нимб» притянутого вещества.
Все это натолкнуло ученых на мысль о сгустке темной материи. Впрочем, даже с этим вариантом возникла проблема: по одной из основных версий, темная материя состоит из очень слабо взаимодействующих гипотетических частиц, а они должны быть распределены в космосе более равномерно и не могут образовывать столь плотные скопления. Поэтому астрофизики предложили альтернативную версию — гипотезу самовзаимодействующей темной материи (SIDM): предположительно, ее частицы почти «безразличны» к обычному барионному веществу, но при этом друг с другом контактируют.
С другой стороны, такая массивная «темная» структура все же должна содержать в себе и видимое вещество. Но наблюдения с помощью орбитального телескопа «Хаббл» не показали там даже намеков на звезды. По мнению авторов исследования, либо наука имеет дело с совершенно новым типом объектов в космосе, либо необходимо пересмотреть фундаментальные представления о темной материи.
Группа астрономов под руководством Дэвида Ли из Университета Торонто подтвердила открытие десяти потенциальных "тёмных галактик" – объектов со столь слабым звёздным свечением, что традиционные обсерватории практически не способны их зафиксировать. Среди них особое место занимает Кандидат Тёмной Галактики-2 (CDG-2) – структура, которая предположительно на 99% состоит из тёмной материи и лишь на 1% из обычного вещества.
Открытие стало возможным благодаря объединению данных сразу трёх обсерваторий: космического телескопа Хаббла, космической обсерватории Euclid и наземного телескопа Subaru на Гавайях. Ключом к обнаружению галактики стали шаровые скопления – компактные сферические скопления звёзд, удерживаемых вместе гравитацией. Именно они сыграли роль своеобразных маяков в почти абсолютной темноте.
С помощью камер Хаббла исследователям удалось выявить четыре шаровых скопления в скоплении галактик Персей, расположенном в 300 миллионах световых лет от Земли. Дополнительные наблюдения с помощью Euclid и Subaru позволили зафиксировать слабое свечение вокруг этих скоплений – отблески галактики с едва различимыми следами звёздного света. Суммарная светимость CDG-2 эквивалентна излучению одного миллиона звёзд, подобных Солнцу, а сами четыре шаровых скопления составляют 16% от всего видимого содержимого объекта.
Расширенный статистический анализ показал, что 99% массы CDG-2 приходится на тёмную материю. Обычное вещество – в том числе водород, необходимый для звёздообразования, – по всей видимости, было "выметено" из галактики гравитационными взаимодействиями с соседними галактиками в скоплении Персей.
Авторы исследования характеризуют свидетельства галактической природы CDG-2 как "исключительно убедительные" – это первая галактика, обнаруженная исключительно по наличию соседних шаровых скоплений, и один из наиболее богатых тёмной материей объектов из когда-либо зафиксированных.
Шаровые скопления оказались надёжным инструментом поиска подобных объектов – их высокая плотность звёзд защищает их от гравитационного приливного разрушения, что позволяет им сохраняться даже в галактиках, практически лишённых обычного вещества.
Этот метод, по мнению учёных, может открыть путь к систематическому поиску других "галактик-призраков" во Вселенной – объектов, которые при стандартных подходах просто остаются невидимыми.
«Если рассматривать Punctum в контексте, он поразительно ярок».
NGC 4945 — спиральная галактика, видимая с ребра, всего в 11 миллионах световых лет от нас в созвездии Центавра(Изображение предоставлено ESO)
Необычайно мощный загадочный объект, обнаруженный в соседней галактике и видимый пока только в миллиметровом радиодиапазоне, может оказаться совершенно новым астрофизическим объектом, непохожим ни на что, виденное астрономами ранее.
Объект был назван «Punctum», производным от латинского pūnctum , означающего «точка» или«точка», группой астрономов под руководством Елены Шабловинской из Института астрофизических исследований Университета Диего Порталеса в Чили. Шабловинская обнаружила его с помощью ALMA , Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки Атакамы.
Астрономы пока не знают, что это такое — известно лишь, что это компактное тело, у него удивительно структурированное магнитное поле и, по сути, это объект, излучающий огромное количество энергии.
«Если рассматривать это в контексте, Punctum поразительно яркий — в 10 000–100 000 раз ярче типичных магнетаров, примерно в 100 раз ярче микроквазаров и в 10–100 раз ярче почти каждой известной сверхновой , и только Крабовидная туманность превосходит его среди связанных со звездами источников в нашей галактике », — сказала Шабловинская.
Пунктум находится в активной галактике NGC 4945, довольно близком соседе нашей галактики Млечный Путь , расположенной в 11 миллионах световых лет от нас. Это чуть за пределами Местной группы. Однако, несмотря на такую близость, его невозможно увидеть в оптическом или рентгеновском диапазоне, а только в миллиметровом радиодиапазоне. Это только усугубило загадку, хотя космическому телескопу имени Джеймса Уэбба (JWST) ещё предстоит изучить объект в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах.
Изображение яркого ядра NGC 4945, полученное с помощью телескопа ALMA, и врезка: компактный загадочный объект под названием Пунктум.(Изображение предоставлено: Елена Шабловинская и др.)
Что может быть Punctum?
Его яркость оставалась неизменной в течение нескольких наблюдений, проведённых в 2023 году, что означает, что это не вспышка или какое-либо другое преходящее явление. Миллиметровое излучение обычно исходит от холодных объектов, таких как молодые протопланетные диски и межзвёздные молекулярные облака. Однако высокоэнергетические явления, такие как квазары и пульсары, также могут генерировать радиоволны посредством синхротронного излучения, при котором заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, описываются спиралью вокруг линий магнитного поля и излучают радиоволны.
Что мы знаем о Пунктуме, так это то, что, судя по силе поляризации его миллиметрового света, он должен обладать высокоструктурированным магнитным полем. Поэтому Шабловинская полагает, что наблюдаемое нами у Пунктума излучение — это синхротронное. Объекты с сильной поляризацией, как правило, компактны, поскольку более крупные объекты обладают хаотичными магнитными полями, которые нейтрализуют любую поляризацию.
Возможно, источником синхротронного излучения является магнетар , полагают учёные, который представляет собой пульсар с сильным магнитным полем . Однако, хотя упорядоченное магнитное поле магнетара отвечает всем требованиям, магнетары (и обычные пульсары, если уж на то пошло) гораздо слабее в миллиметровом диапазоне длин волн, чем Пунктум.
Остатки сверхновой , такие как Крабовидная туманность, представляющая собой беспорядочные внутренности звезды, выброшенные в космос в 1054 году нашей эры, ярко светят в миллиметровом диапазоне. Проблема в том, что остатки сверхновой довольно велики — сама Крабовидная туманность имеет диаметр около 11 световых лет, — тогда как Пунктум, очевидно, гораздо меньше и компактнее.
Крабовидная туманность, полученная космическим телескопом имени Джеймса Уэбба(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)
«На данный момент Punctum действительно стоит особняком — он не вписывается ни в одну из известных категорий», — сказала Шабловинская. «И, честно говоря, ничего подобного не наблюдалось ни в одном из предыдущих миллиметровых обзоров, в основном потому, что до недавнего времени у нас не было ничего столь же чувствительного и высокоточного, как ALMA».
Существует оговорка, что Punctum может быть просто аномалией: экстремальной версией известного объекта, например, магнетара в необычной среде или остатка сверхновой, взаимодействующего с плотным веществом. Однако пока это лишь предположения, не подкреплённые доказательствами. Вполне возможно, что Punctum действительно является первым представителем нового типа астрофизических объектов, которые мы раньше не видели, просто потому, что их может обнаружить только телескоп ALMA.
В случае с Пунктумом, он в 100 раз слабее активного ядра NGC 4945, которое заряжается энергией от сверхмассивной чёрной дыры, питающейся падающим веществом. Пунктум, вероятно, вообще не был бы замечен в данных ALMA, если бы не его исключительно сильная поляризация.
Дальнейшие наблюдения с помощью ALMA, безусловно, помогут пролить свет на тип объекта Punctum. Наблюдения, которые открыли Punctum, были сосредоточены на ярком активном ядре NGC 4945; Punctum оказался в поле зрения лишь случайно. В будущих наблюдениях Punctum с помощью ALMA можно будет добиться гораздо более низкого уровня шума, не беспокоясь о пересвечении яркого ядра галактики, и его также можно будет наблюдать на разных частотах.
Наибольшую помощь потенциально может оказать JWST. Если он сможет увидеть инфракрасный аналог, то его более высокое разрешение может помочь определить, что такое Punctum.
«Высокое разрешение и широкий спектральный диапазон JWST могут помочь выяснить, является ли излучение Punctum чисто синхротронным или включает в себя пылевые или эмиссионные линии», — сказала Шабловинская.
На данный момент это сплошные «если» и «но», и все, что мы можем сказать наверняка, это то, что астрономы столкнулись с настоящей загадкой, которая до сих пор сбивает их с толку.
«В любом случае, — заключила Шабловинская, — Punctum показывает нам, что в миллиметровом небе ещё многое предстоит открыть».
Статья, описывающая открытие Punctum, была принята в журнал Astronomy & Astrophysics, а предварительная версия доступна на сайте astro.ph .
Комментарии