Найдена вторая галактика без темной материи

Астрономы подтвердили почти полное отсутствие темной материи в галактике NGC 1052-DF2 и нашли рядом с ней похожую — NGC 1052-DF4. Данные по скоростям звезд в этих объектах полностью согласуются с распределением видимого вещества и несовместимы с наличием темной материи. Таким образом, ученые убедились в существовании нового класса необычных галактик, свойства которых пока не находят объяснения, а также неочевидным образом подтверили существование темной материи. Результаты изложены в отдельных статьях в The Astrophysical Journal Letters.

Темной материей в астрофизике чаще всего называется гипотетическая форма вещества, которую вводят для разрешения нескольких несоответствий между наблюдениями и теорией. Исторически первым указанием на существование темной материи были данные о скоростях движений галактик в скоплениях — оказалось, что они перемещаются намного быстрее, чем можно было бы ожидать на основе массы видимого вещества. Если же допустить, что помимо звезд, связанного с ними газа и других известных форм вещества, в скоплениях также находится значительное количество неизвестной материи, то ее гравитационного воздействия может оказаться достаточно для соответствия наблюдениям.

Другой феномен, который традиционно связывают с темной материей, — это кривые вращения галактик, то есть зависимость скорости обращения звезд от расстояния до центра системы. Если оценивать массу только по видимому веществу, то скорости звезд по мере удаления от центра галактики должны быстро возрастать до максимума, а затем медленно снижаться до очень малых величин. Вместо этого в большинстве случаев наблюдается иная картина: после достижения максимума скорость не снижается или изменяется достаточно слабо. Это обстоятельство можно объяснить наличием обширного гало из темной материи вокруг галактики, которое простирается в несколько раз дальше видимого диска, а по массе в несколько раз превосходит все видимое вещество.

В наблюдательной астрономии также часто определяют дисперсию скоростей, то есть их разброс относительно среднего значения. Эту величину измерить достаточно просто, так как у многих звезд есть одинаковые линии излучения, которые в наблюдениях будут уширены из-за эффекта Доплера пропорционально скоростям светил на луче зрения. Дисперсия скоростей позволяет оценить массу объектов, так как звезды в галактиках представляют гравитационно связанную систему и обязаны подчиняться теореме вириала, которая накладывает ограничения на среднюю кинетическую и потенциальную энергии частиц: кинетическая энергия связана с дисперсией, что позволяет вычислить массу на основе создаваемого ей гравитационного потенциала.

В 2018 году астрономы при помощи космического телескопа «Хаббл» и наземной обсерватории Кека нашли необычную сразу по нескольким параметрам галактику NGC 1052-DF2. Во-первых, она относится к достаточно редкому типу ультрадиффузных галактик, которые по размеру сравнимы с Млечным Путем, но содержат примерно в 100 или 1000 раз меньше звезд, что делает их поверхностную яркость исключительно низкой. Во-вторых, у этой галактики оказалось необычное распределение объектов, похожих на шаровые звездные скопления. Такие плотные и яркие группы тысяч звезд хорошо известны как в Млечном Пути, так и у наших ближайших соседей. Их функция светимости, то есть зависимость количества от яркости, считалась универсальной, однако для NGC 1052-DF2 это оказалось не так. В-третьих, измерив скорости движения 10 таких объектов, ученые оценили по ним дисперсию скоростей, которая оказалась исключительно мала — около 8 километров в секунду с ошибками порядка 50 процентов при ожидаемой дисперсии в присутствии гало из темной материи порядка 30 километров в секунду.

В новой работе ученые описывают результаты дополнительных наблюдений, которые позволили сделать более надежные оценки дисперсии скоростей на основе движений звезд. В результате астрономы получили значение 8,5 километра в секунду с заметно меньшими ошибками (порядка 30 процентов). Из этих данных следует, что полная масса галактики примерно равна массе светящегося вещества, что исключает необходимость введения темной материи в данном случае. Также ученые обнаружили рядом похожую галактику NGC 1052-DF4, у которой также оказалась экстремально низкая дисперсия скоростей звезд — около 4,2 километра в секунду, но ошибки в данном случае составляют порядка 80 процентов.

По мнению авторов, полученные данные высокого качества являются убедительным доказательством существования не просто одной исключительной галактики без темной материи, но и нового класса подобных объектов. Также они напоминают, что эти результаты ни в коей мере не опровергают гипотезу о темной материи, а, наоборот, подтверждают ее необходимость: если бы описываемые ей эффекты на самом деле порождались обычной материей, то подобной ситуации не могло бы возникнуть, а раз найден объект без темной материи, то это говорит именно о существовании двух отдельных видов субстанций, которые не связаны напрямую.

Важность темной материи в астрофизике мы обсуждали с Андреем Дорошкевичем в материале «Невидимый цемент Вселенной». О попытках объяснить темную материю через ненулевую массу переносчика обычного электромагнитного взаимодействия мы говорили в интервью про «Тяжелый фотон».

Тимур Кешелава