Nature: галактики действительно начинают вращаться еще до своего рождения

Фото из открытых источников

Почему галактики вращаются? Этот вопрос мучает астрономов уже около 100 лет, с тех пор как было обнаружено, что туманные вращающиеся сгустки на ночном небе на самом деле являются спиральными галактиками, отдельными от Млечного пути. Теперь ученые нашли убедительные доказательства одной из сил, которые привели галактики в движение: гравитационные взаимодействия, зародившиеся еще в младенческом возрасте Вселенной.

Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy, по меньшей мере часть вращения галактик обусловлена гравитацией скоплений газа и темной материи, которые притягивали соседние скопления более 13,6 миллиардов лет назад, еще до образования самих галактик. Знание связи между современным вращением галактик и этой первобытной борьбой должно помочь исследователям точнее определить, что происходило в ту далекую эпоху. Исследователи «убедительно обнаружили сохранившийся след» первобытного вращения, говорит астроном Пабло Лопес из Национального университета Кордовы, который не принимал участия в работе.

В самой ранней Вселенной загадочное вещество, известное как темная материя, начало формироваться в большие скопления, называемые гало. Гравитационное притяжение этих гало притягивало газ, что дало толчок формированию галактик. На протяжении десятилетий теоретики пытались объяснить, как этот процесс мог наделить новорожденные галактики вращением. Одна из идей, датируемая 1969 годом, предполагала, что причиной является гравитационное притяжение между еще формирующимися гало. Если гало оказывалось вытянутым или становилось таковым, оно могло испытывать более сильное притяжение на конце, ближайшем к массивному соседу, чем на более удаленном конце. Это неравномерное притяжение — известное как приливная сила — могло оказывать вращательный импульс, или крутящий момент, на вытянутое гало, заставляя его вращаться.

Сторонники так называемой теории «приливного момента» предполагали, что как только гало начинает вращаться, образующиеся из него галактики также начинают вращаться, и это вращение должно сохраняться до наших дней. Другие утверждают, что сложный процесс роста и эволюции галактик, включая огромное количество столкновений и слияний галактик, должен стереть любые признаки первоначального вращения. По словам Лопеса, сегодня общепринятое мнение склоняется к обеим версиям: большая часть вращения происходит от слияний, а следы вращения сохраняются с древних времен.

Чтобы проверить это, группа исследователей под руководством Мин-Цзе Шэна из Сямэньского университета попыталась определить вращение, которое было бы придано первичным гало в нашей части Вселенной. Они использовали трехмерную карту локальной Вселенной, созданную в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (SDSS), и применили моделирование для расчета распределения протогало в ранней Вселенной, которое сформировало бы ту структуру галактик, которую мы видим сегодня. Это распределение ничего не говорит им о форме и ориентации протогало, поэтому команде пришлось немного подкорректировать данные, используя сами приливные силы в качестве замены формы протогало.

«В наших предыдущих работах по моделированию мы показали, что это приближение удивительно хорошо воспроизводит направление вращения, что дает нам уверенность в его применении к наблюдениям», — говорит член команды Хао-Ран Ю из Сямэня. Космолог-наблюдатель Эдуард Сальвадор Соле из Университета Барселоны соглашается: «Это „эмпирическое“ приближение не является фундаментальной проблемой, и сделанные выводы, безусловно, верны».

После моделирования первичных направлений вращения и величин вращения на ночном небе, команда попыталась выяснить, соответствуют ли галактики в локальной Вселенной этой закономерности. Для этого они использовали данные из другого обзора SDSS, который позволял обнаруживать изменения длин волн света, излучаемого звездами и газом внутри галактик, показывая, как быстро они движутся к нам или удаляются от нас. Это позволило исследователям оценить скорости вращения более чем 1600 галактик. Большой размер выборки был необходим, говорит Ю, «поскольку первичный сигнал слаб для отдельных галактик».

Наблюдаемая командой картина вращений в локальной Вселенной очень хорошо совпала с предсказаниями, сделанными на основе первобытных процессов, и эта разница крайне маловероятна как статистическая случайность. «Наши результаты предоставляют убедительные наблюдательные доказательства того, что первобытные приливные моменты оставляют измеримые следы на современном угловом моменте галактик», — говорит Ю. Однако, по-видимому, только около 13% современного вращения сохранилось со времен ранней Вселенной. «Все остальное стирается», — говорит Лопес.

Член исследовательской группы Уэ-Ли Пен из Университета Торонто надеется, что, если результат подтвердится, эта прямая связь между вращением современных галактик и распределением масс в ранней Вселенной поможет астрономам выявить другие трудноуловимые космологические параметры, такие как массы нейтрино: легких, почти необнаружимых частиц, которые роятся в космосе.

«Оказывается, нейтрино также оказывают приливное воздействие на нашу материю — величина этого воздействия зависит от массы нейтрино», — говорит Пен. «Мы надеемся, что это откроет новые, достаточно прямые способы измерения гравитационного воздействия объектов, которые иным образом очень трудно обнаружить».