Астрономы обнаружили загадочное отсутствие массы в центрах молодых галактик 

Фото из открытых источников

В исследовании впервые объединены данные космического телескопа Джеймса Уэбба и обсерватории ALMA для «взвешивания» галактик в космический полдень, и обнаружено удивительное отсутствие массы в их центрах.

Международная группа астрономов внимательно изучила три далёкие галактики и обнаружила, что в их центральных областях чего-то не хватает с точки зрения массы. Или, точнее, там есть нечто — будь то необычайная концентрация старых звёзд, пыль, скрывающая свет, невероятно большие чёрные дыры или даже неожиданное распределение тёмной материи — что существующие модели не могут полностью объяснить. Это открытие, опубликованное в недавнем исследовании, стало возможным благодаря беспрецедентному сочетанию: мощному инфракрасному излучению космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и возможности наблюдения холодного газа, обеспечиваемой радиотелескопической системой ALMA в Чили.

Исследование посвящено важнейшему периоду истории Вселенной, известному как космический полдень, примерно 10 миллиардов лет назад, когда звездообразование достигло своего пика. Понимание того, какими были галактики в то время, является ключом к пониманию того, как они эволюционировали в те, которые мы видим сегодня, такие как наша Млечная Галактика.

Определить, из чего состоит галактика и как распределяется её масса, — задача непростая, особенно на таких больших расстояниях. Учёные используют проверенный метод: наблюдение за вращением галактик. Подобно тому, как скорость вращения планет вокруг Солнца показывает массу нашей звезды, скорость вращения звёзд и газа внутри галактики показывает силу гравитации в каждой точке и, следовательно, как распределяется масса (звёзд, газа и тёмной материи), которая её порождает.

До настоящего времени изучение таких далёких галактик представляло две основные проблемы. С одной стороны, отсутствовали достаточно подробные изображения на нужных длинах волн, чтобы увидеть истинное распределение старых звёзд, составляющих большую часть звёздной массы. С другой стороны, было сложно точно отследить вращение холодного газа (топлива для звёзд), который является лучшим «трассером» для измерения гравитации, поскольку он движется упорядоченно. В предыдущих исследованиях использовался более горячий газ, движение которого может быть нарушено звёздными взрывами или чёрными дырами, что приводило к менее надёжным измерениям.

В этом новом исследовании удалось преодолеть эти препятствия. Впервые для галактик на таких расстояниях исследователи объединили два ключевых элемента: изображения в ближнем инфракрасном диапазоне, полученные с помощью телескопа JWST, которые лучше проникают сквозь пыль и показывают свет от доминирующего звездного населения, выявляя протяженные диски со спиральными рукавами, и карты вращения холодного газа (оксида углерода или атомарного углерода), полученные с помощью телескопа ALMA в рамках проекта ALPAKA, которые обеспечивают очень точное измерение гравитации.

Команда выбрала три галактики из проекта ALPAKA, обозначенные как ID1, ID3 и ID13, которые представляют собой диски, вращающиеся упорядоченным образом. Имея на руках данные, они провели исчерпывающее моделирование: измерили яркость и распределение звезд (разделив их на «диск» и «центральное балдж») и газа. Затем они рассчитали, какая масса должна присутствовать в каждом компоненте (звездах, газе и темной материи), чтобы точно воспроизвести вращение, наблюдаемое с помощью ALMA.

Модели хорошо воспроизводили вращение во внешних областях галактик. Однако во всех случаях они систематически не предсказывали высокие скорости вращения, измеренные во внутренних областях. Модель недооценивала скорость, указывая на недостаток массы в центре, согласно их расчетам. Изучая модели с эталонной массой, мы обнаруживаем, что они воспроизводят общую форму кривых вращения для трех галактик. Однако в каждом случае модели систематически недооценивают круговую скорость в центральных областях, поясняется в исследовании.

Они предположили, что центральное звёздное балдж может состоять из более древней популяции, чем диск, и, следовательно, быть более массивным при том же количестве излучаемого света (иметь более высокое «отношение массы к светимости»). Они также рассмотрели возможность того, что это балдж может быть значительно сильнее заслонён пылью, из-за чего его свет, достигающий нас, ослабляется и кажется менее массивным, чем он есть на самом деле. Обе идеи правдоподобны и улучшают соответствие модели данным.

Точечная концентрация массы в центре, например, гигантская черная дыра, ускорила бы вращение вокруг себя. Черная дыра, имеющая типичные пропорции для местных галактик, была бы недостаточна для объяснения наблюдаемых явлений. Однако, если бы эти черные дыры были исключительно массивными для своих галактик-хозяев, как предполагают некоторые недавние открытия JWST в очень молодых галактиках, они могли бы внести значительный вклад.

Темная материя, невидимый компонент, формирующий гравитационный каркас галактик, обычно моделируется с помощью определенного профиля плотности (профиля NFW). Возможно, в этих молодых галактиках темная материя сконцентрирована в более центральных областях, чем ожидалось, либо из-за процессов, связанных с формированием галактик, либо из-за самой природы темной материи.

Они также рассматривали маловероятную возможность того, что коэффициент пересчета, используемый для расчета массы газа по его излучению (неопределенное значение), был значительно ниже в центре, а это означает, что газ там на самом деле был более массивным. Однако этот вариант кажется маловероятным и существенно не улучшает модели.

Эта работа имеет важное значение для других исследований, в которых утверждается об обнаружении «ядер» или менее плотных областей темной материи в центрах далеких галактик. Команда показывает, что даже с использованием лучших имеющихся на данный момент данных крайне сложно получить надежные ограничения на точное распределение темной материи, когда неопределенность в отношении видимых компонентов (звезд и газа) остается значительной.

Обнаруженные ими доли темной материи в радиусе своих галактик (около 20%) схожи с долями в других галактиках, как локальных, так и далеких. Однако наша интерпретация отличается от предыдущих исследований, которые связывали такие низкие значения с профилями темной материи с ядром. Мы обнаружили, что стандартные гало NFW могут воспроизвести наблюдения без использования ядер, поясняют они. То есть то, что другие могли бы интерпретировать как «отсутствие» темной материи в центре, они могут объяснить с помощью стандартной модели, при условии, что звездные компоненты достаточно массивны.

Это исследование знаменует собой методологический прорыв, впервые объединив возможности телескопов JWST и ALMA для анализа массы галактик в решающую эпоху Вселенной. Загадка недостающей центральной массы — это не неудача, а сигнал, указывающий на интересные физические явления. Скорее всего, по мнению авторов, ответ кроется в сочетании исследованных факторов — старых и пыльных балджей, возможно, вместе с массивными черными дырами.

Исследование выявляет интригующие свойства этих трех галактик и намечает дальнейшие шаги: необходимы наблюдения с более высоким разрешением и большие выборки галактик с объединенными данными. Будущие проекты, такие как CONDOR, который объединит больше наблюдений с JWST, ALMA и VLA, позволят уточнить эти измерения и проверить, является ли то, что наблюдается в этих трех галактиках, нормой в космический полдень.