Скрытая плоская структура Млечного пути объясняет движение близлежащих галактик

Фото из открытых источников

Исследователи обнаружили, что Млечный Путь находится внутри огромного, сплющенного слоя материи, который формирует движение близлежащих галактик. Эта структура разрешает давнюю загадку, согласно которой большинство соседних галактик дрейфуют наружу, а не падают под действием гравитации нашей галактики. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

В регионе, расположенном непосредственно за пределами Млечного пути и Андромеды, новые модели позволили установить соответствие положений и скоростей 31 галактики. Исходя из этого несоответствия, Эвуд Вемпе из Университета Гронингена показал, что эти движения имеют смысл в сплющенном листе бумаги.

В качестве первого автора и руководителя моделирования Вемпе обнаружил, что вещество над и под слоем истончается, оставляя больше пустого пространства. Такая геометрическая форма объясняет, почему большинство близлежащих галактик продолжают удаляться, в то время как Андромеда остается исключением, поскольку она находится в зоне более сильной локальной гравитации.

Астрономы называют Млечный Путь, Андромеду и их меньшие собратья Местной группой — нашим близлежащим скоплением галактик. Большая часть его массы состоит из темной материи, невидимой материи, определяемой силой гравитации, поэтому истинную форму района невозможно сфотографировать напрямую.

На протяжении десятилетий простые круглые модели создавали впечатление, что в этом районе слишком много людей, а дальше от него слишком мало, что приводило к несоответствию. Поскольку в тех моделях предполагалось, что гравитация действует одинаково во всех направлениях, они упустили из виду неровности рельефа, которые были выявлены в новой работе.

Чтобы восстановить наш район, команда начала с изучения космического микроволнового фона — старейшего источника света, все еще заполняющего космическое пространство. Исходя из этих ранних условий, компьютеры эволюционировали, создавая возможные модели вселенных, пока некоторые из них не воспроизвели движение Млечного Пути, Андромеды и близлежащих галактик.

В ходе 169 экспериментов с высоким разрешением успешные версии также позволили обнаружить 31 галактику за пределами пары на правильных расстояниях и скоростях. Это позволило исследователям сравнивать конкурирующие варианты распределения масс, исходя из одних и тех же локальных условий, вместо того чтобы навязывать одну упорядоченную картину.

Внутри приблизительно плоской поверхности гравитация зависит не только от массы объекта, находящегося на расстоянии меньшем, чем расстояние до галактики. Вещество, распределенное дальше по тому же листу, по-прежнему тянет наружу, частично компенсируя внутреннее притяжение местной группы.

Над и под этой плоскостью находились пустоты, огромные области с очень малым количеством материи, поэтому в этом районе к нам падало мало галактик. Совокупный эффект обеспечил необычно спокойное движение вблизи плоскости, в то время как в других направлениях наблюдалось гораздо более сильное движение в её направлении.

Одна из причин, по которой эта загадка так долго оставалась неразгаданной, заключается в том, что астрономам не хватает хороших галактик-маркеров выше и ниже плоскости. Большинство известных близлежащих галактик расположены близко к плоскости, где движение наружу выглядит плавным и почти равномерным.

В ходе моделирования наблюдалось более интенсивное движение в направлении полюсов, при этом поток вещества, движущийся к полотну, превышал 60 миль в секунду (97 километров в секунду). Обнаружение большего количества карликовых галактик далеко над или под плоскостью галактики в пределах примерно 16 миллионов световых лет позволило бы проверить эту картину.

Поскольку звезды и газ отражают лишь часть массы галактики, команда исследователей рассматривала движения галактик как подсказки для обнаружения скрытой структуры. Вемпе назвал это первой подробной оценкой того, как эта скрытая масса расположена и перемещается вокруг двух галактик.

«Мы изучаем все возможные локальные конфигурации ранней Вселенной, которые в конечном итоге могут привести к образованию Местной группы галактик», — сказал Вемпе.

Он добавил, что новая модель соответствует как стандартной космологической модели, так и наблюдаемому движению галактик в локальной среде.

В более ранних объяснениях область вокруг Млечного пути и Андромеды рассматривалась как приблизительно круглая, что упрощало математические вычисления. В круглой модели имеет значение только масса внутри радиуса галактики, поэтому дополнительное вещество на больших расстояниях может лишь замедлить движение наружу.

Новые модели, напротив, показали массу, более чем в четыре раза превышающую массу основной пары, в пределах примерно 13 миллионов световых лет, и при этом всё ещё соответствовали наблюдениям. Это несоответствие показало, что проблема заключалась не в слишком большой массе, а в неправильной геометрии расчета гравитации.

Даже при наличии всей этой скрытой массы, смоделированный район неожиданно оставался упорядоченным, а не хаотичным. В пределах области, где расположено большинство известных галактик, случайные движения в среднем составляли всего около 23 километров в секунду.

Эта спокойная картина важна, потому что она соответствует давно наблюдаемому плавному движению близлежащих галактик наружу, не требуя при этом нереалистично пустой окрестности. Это также означает, что плоская конструкция решила сразу две проблемы: где находится основная масса здания и как функционирует окружающий район.

Команда пока не заявила о создании идеальной карты всего, что находится за пределами нашей пары галактик. Созданная ими модель коробки занимала примерно 130 миллионов световых лет с каждой стороны — достаточно большая, но все же слишком мала для любого внешнего воздействия. Детали, расположенные в еще большем масштабе, включая более обширную область, центрированную на скоплении созвездий Девы, могут сместить точную ориентацию листа. 

Однако авторы утверждали, что эти ограничения не должны опровергать основной результат, поскольку решающие силы действуют в меньших масштабах. Теперь Млечный Путь выглядит не столько как изолированный центр, сколько как часть широкого слоя, направляющего локальное движение.

Дальнейшие исследования, обнаружившие слабые карликовые звезды выше и ниже этого слоя, могут подтвердить прогноз или заставить астрономов пересмотреть его.