Загадочные звездные потоки оспаривают одну из главных идей о темной материи

Фото из открытых источников

Из 15 000 смоделированных звездных потоков лишь 70 оставались гладкими, а остальные были искажены одной лишь галактикой, поскольку в модели отсутствовала темная материя. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal.

Разорванные на части звёздные скопления оставляют после себя длинные, тонкие звёздные потоки, извивающиеся вокруг Млечного пути. В течение многих лет астрономы считывали разрывы и изгибы в этих потоках как отпечатки пальцев тёмной материи.

Новые исследования показывают, что галактика сама по себе создает аналогичные особенности. Судя только по форме, обе причины выглядят идентично.

Арпит Арора — научный сотрудник-исследователь в области астрономии в Вашингтонском университете. Он и его коллеги вырастили около 15 000 таких потоков внутри четырех компьютерных моделей галактик масштаба Млечного пути. Группа намеренно оставила все скопления темной материи на виду.

«Мы обнаружили, что почти все ручьи имели те или иные структурные особенности, — сказал Арора. — Поэтому представление о том, что ручьи от природы тонкие и гладкие, оказалось не совсем верным».

Большая галактика разрывает любой плотный шар звёзд, который приближается слишком близко. Звёзды расходятся вдоль траектории, по которой шар уже двигался. Оставшаяся нить может обернуться вокруг галактики на значительное расстояние. Астрономы называют такие потоки звездами.

Большинство из них, видимых с Земли, имеют неровную форму. Некоторые участки отклоняются от курса, и загадочный разрыв может нарушить ровную полосу. В течение двух десятилетий основным объяснением считалась темная материя. Предполагается, что звезды отклоняются от своей траектории из-за небольших невидимых скоплений темной материи, проходящих рядом с ручьем.

Астрономы не могут взвесить скопление звезд, не излучающее свет, никаким другим способом. Именно поэтому звездные потоки стали предпочтительным инструментом.

«Темная материя составляет большую часть массы Вселенной и образует каркас, на котором растут галактики, но мы до сих пор не знаем, что это такое», — сказала соавтор Нора Шипп из Вашингтонского университета. «Млечный Путь — одна из лучших лабораторий, которые у нас есть для решения этой задачи, а звёздные потоки — один из самых эффективных инструментов внутри него».

Команда начала с четырех галактик, примерно таких же тяжелых, как Млечный Путь. Каждая из них была выращена с нуля на предыдущем этапе космологического моделирования. Одна из них оставалась довольно изолированной, а другая сформировала необычно большой диск. Две другие недавно поглотили нечто крупное, в одном случае — карликовую галактику, по массе примерно равную Большому Магелланову Облаку.

Ни одна из этих галактик не сохраняет свою первоначальную форму. Диск деформируется, гало реагирует на то, что попало в него последним, а поток, вращающийся внутри, испытывает другое притяжение с течением миллиардов лет. В эту систему исследователи поместили около 15 000 звездных скоплений на орбиты различной формы — от почти круговых до резко вытянутых. Затем они позволили им распасться в течение пяти миллиардов смоделированных лет.

Они вручную удалили все мелкие частицы, не оставив в модели скоплений темной материи или гигантских газовых облаков. Все, что появлялось в виде потока, должно было исходить из самой галактики.

Примерно четверть маршрутов, 26 процентов, завершились без существенных отклонений от заданной траектории. Еще 34 процента оказались в плачевном состоянии. Примерно три четверти маршрутов в той или иной степени отклонились от ровной, узкой линии.

Даже самые аккуратные участки не были идеальными. Их ширина варьировалась примерно на 22 процента от одного сегмента к другому, и ни один ручей в выборке не оставался стабильным более чем на 10 процентов.

Из примерно 15 000 потоков около 70 прошли без каких-либо заметных отклонений в любом масштабе. В галактике, где нет ничего незначительного, что можно было бы списать на случайность, бесформенный поток — это почти случайность.

Расстояние имело наибольшее значение. Потоки, орбиты которых находились на расстоянии около 49 000 световых лет (15 килопарсеков) от центра галактики, были наиболее возмущенными. Самые спокойные потоки, находясь дальше от центра, следовали широким, почти круговым траекториям.

«В наших симуляциях сами галактики-хозяева вызывали те же самые нерегулярности, которые мы наблюдаем в реальных звездных потоках», — сказал Арора. «Теперь, когда мы можем предсказывать, что происходит в родительской галактике, мы можем начать выделять ту часть, за которую отвечает темная материя».

Проблема здесь в размере. Даже в самых ровных ручьях, где по всей длине все еще наблюдались скопления воды, типичный самый маленький объект занимал около 2 градусов неба, что примерно в четыре раза превышало ширину полной луны.

Предполагается, что скопления темной материи оставляют промежутки размером от 1 до 5 градусов. Галактика и скопления образуют объекты одинакового размера, поэтому одной лишь формы недостаточно, чтобы отличить их друг от друга.

Команда проверила это с помощью контрольного эксперимента, пропустив еще 1000 потоков данных через модель галактики, которая была зафиксирована на месте и обладала идеальной симметрией. Примерно 35 процентов из них завершились без каких-либо заметных скоплений по всей длине, по сравнению с примерно 2 процентами гладких потоков в реальных галактиках.

В ходе моделирования также обнаружились две особенности, вызывавшие споры среди астрономов. Поток, названный GD-1, имеет ответвление, а поток ATLAS–Aliqa Uma – резкий изгиб. Оба явления рассматриваются как творения темной материи, и у обоих есть похожие объекты в каталоге, в котором отсутствуют скопления темной материи.

В некоторых местах моделирование намеренно упрощено. Звезды покидают скопления с постоянной скоростью, а не вспышками, и ничего, что происходит внутри скопления, не моделируется, поэтому реальные потоки могут содержать больше структурных элементов, чем эти. Эти фрагменты также относятся к орбитам, которые исследовала команда, а не к реальной Галактике Млечный Путь.

Никто не проверял, оставляет ли скопление темной материи какой-либо след в движении звезд в потоке по сравнению с тем, как поток выглядит отсюда. Это будет следующим этапом: те же четыре галактики, но со снова добавленными скоплениями.

«К сожалению, волшебной палочки, способной раскрыть структуру темной материи, не существует», — сказал Джеймс Дэвенпорт из Вашингтонского университета. «Потоки — это сложные системы, но они по-прежнему остаются самым интересным способом изучения темной материи вблизи нашего планеты».

В июне обсерватория имени Веры К. Рубин опубликовала свои первые изображения, и ожидается, что она обнаружит еще сотни потоков. К каждому из них теперь будет прилагаться предсказание о том, насколько сильно он должен искривиться, если в нем вообще не будет участвовать темная материя.