Физики усомнились в стабильности спиральных галактик

Физики из Италии и Франции пересмотрели процесс формирования спиральных галактик и показали, что его можно объяснить исключительно в рамках гравитационного коллапса. Более того, ученые выяснили, что протекающие внутри галактики процессы оказываются неравновесными вопреки существующим взглядам на формирование галактик. Это значит, что методы, с помощью которых астрономы рассчитывают массу галактики, могут давать неверные результаты, а оценки на массу темной материи нужно пересмотреть. Статья опубликована в Physical Review E, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Большинство крупных галактик, включая Млечный путь, относятся к спиральным галактикам. В таких галактиках четко выделяется плотное центральное скопление звезд (балдж), от которого отходит несколько спиральных рукавов. Кроме того, видимая материя окружена сферическим гало темной материи, которое содержит бо́льшую часть массы галактики. К сожалению, несмотря на распространенность спиральных галактик, ученые до сих пор плохо понимают, как они образуются — и почему их заметно больше, чем неправильных и эллиптических галактик.

Как правило, ученые описывают поведение галактической материи с помощью уравнений Власова. Вообще говоря, изначально Анатолий Власов разработал эти уравнения для описания динамики плазмы — системы заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Впрочем, слабое гравитационное поле, которое хорошо описывается законом Ньютона, очень похоже на электрическое. Поэтому система, которая состоит из большого числа гравитирующих объектов, также подчиняется уравнениям Власова.

Более того, численное моделирование показывает, что характерное время релаксации такой системы во много раз превышает время жизни Вселенной — следовательно, можно пренебречь столкновениями частиц и считать, что система находится в равновесии. В результате уравнения Власова упрощаются и сводятся к бесстолкновительному уравнению Больцмана. С этой точки зрения галактика может приобрести спиральную форму только за счет внешних факторов, которые возмутят ее квазистационарное состояние. В частности, нестабильности могут вызвать сильные гравитационные поля объектов, проходящих рядом с галактикой, или негравитационные диссипативные процессы (охлаждение).

Группа ученых под руководством Майкла Джойса (Michael Joyce) пересмотрела этот процесс и показала, что на самом деле материя может собираться в спиральную структуру исключительно за счет гравитационного притяжения. В этом подходе галактика больше не является стабильной структурой, и ее форма изменяется со временем. При этом ключевым фактором, который определяет стационарность системы, является ее скорость, а характерное время формирование структуры примерно равно одному миллиарду лет.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые численно смоделировали эволюцию галактики, состоящей из миллиона сферических частиц, притягивающихся друг к другу по закону обратных квадратов. Чтобы избежать расходимостей, физики обрезали Ньютоновский потенциал частиц на небольшом расстоянии ε и склеивали его с нулевым потенциалом в центре частицы с помощью кубических сплайнов. Массы частиц выбирались случайно и могли отличаться от эталонной массы в 2, 5 или 10 раз. Для численных расчетов ученые использовали открытый код GADGET-2. Время работы симуляции достигало 200 динамических времен. Столкновениями частиц исследователи пренебрегали. В целях дополнительной проверки физики отслеживали полную энергию системы, которая в ходе ее эволюции сохранялась с точностью до 0,5 процента.

Всего исследователи рассмотрели шесть типов начальных условий, с которых стартовали численные расчеты. В системах первого типа частицы были равномерно распределены в пределах эллипсоидного облака, а их скорости были случайно заданы (случай A1) или следуя картине когерентного твердого тела вокруг самой короткой оси (случай A2). В системах второго типа частицы были неравномерно распределены внутри эллипсоида; при этом распределения отличались разной формой эллипсоида, размером внутреннего плотного скопления (прообраза балджа), плотностью частиц и скоростью их вращения (случаи B1, B2). Наконец, в системах третьего типа частицы собирались внутри несферических и неравномерных облаков (случаи C1, C2).

В результате физики обнаружили, что со временем системы второго типа собираются в структуры, напоминающие привычные спиральные галактики: внутри структуры формировалось плотное ядро, а ее внешняя часть вытягивалась в тонкий диск. Более того, в диске можно было различить другие характерные черты галактик — рукава, кольца и перемычки (бары). Ключевым параметром, который определял стационарность системы, выступало число оборотов частицы вокруг центра галактики n — число, пропорциональное скорости частицы и времени эволюции, обратно пропорциональное расстоянию до центра. Если это число было много больше одного, частица двигалась по эллиптической кеплеровской орбите (то есть система находилась в равновесии), в противном случае ее траектория выглядела гораздо сложнее. В молодой галактике число n порядка единицы для всех частиц, и благодаря неравновесным процессам галактика стремится принять спиралевидную форму (вероятность успеха определяется исходным распределением). Более того, это условие продолжает выполняться на краях более старых галактик, время жизни которых сравнимо со временем жизни Вселенной.

Авторы статьи отмечают, что замеченный ими эффект является очень простым по своей природе — а потому удивительно, что ученые не обнаружили его раньше. Тем не менее, исследователи приводят несколько аргументов, которые объясняют это упущение. Во-первых, большинство работ, выполненных в последние двадцать или тридцать лет, работали с системами, содержащими порядка десяти тысяч частиц. В таких системах число высокоэнергетических частиц, вносящих наибольший вклад в эволюцию системы, не превышало тысячи — следовательно, погрешность численных моделей была слишком высока, и они упускали из виду формирование структур. Во-вторых, в основном ученые оценивали стабильность галактики по глобальным параметрам и рассматривали сравнительно небольшие промежутки времени.

Открытие ученых не только позволяет лучше понять процесс формирования галактик, но также заставляет пересмотреть существующие взгляды на темную материю. В самом деле, астрономы оценивают массу галактики с помощью теоремы о вириале, которая связывает кинетическую и потенциальную энергию звезд. Эта теорема работает только для стабильных структур — однако расчеты ученых показывают, что спиральные галактики не относятся к таким структурам. Если это предположение окажется верным, астрономам придется разработать альтернативный способ измерения массы галактики и пересмотреть оценки на массу темной материи.

В марте прошлого года группа астрономов под руководством Питера Ван Доккума (Pieter van Dokkum) обнаружила «неправильную» галактику NGC1052-DF2, у которой практически полностью отсутствовала темная материя. Это открытие противоречило существующим теориям формирования галактик. Впрочем, всего через несколько месяцев ученые пересмотрели метод, с помощью которого группа Доккума оценивала массу галактики, и показали, что она содержит гораздо больше темной материи, чем предполагалось. Более того, скорректированное значение попало в диапазон, установленный существующими моделями, хотя и находилось близко к его границе.

Узнать, как астрономы ищут далекие галактические скопления и изучают процессы их формирования, можно в материалах «Давным-давно, в далекой-далекой галактике» и «Радио-ретро».

Дмитрий Трунин