Аналог красного самородка оказался реликтом ранней Вселенной

Рентгеновское свечение газа в галактике Маркарян 1216 (Mrk 1216) указало на необычайно высокую концентрацию темной материи в центре данного объекта. Результаты показывают, что во внутренних областях этой галактики (она считается аналогом существовавших в ранней Вселенной галактик из класса красных самородков) темной материи должно быть в разы больше, чем предсказывает стандартная теория. Эти результаты можно объяснить, предположив исключительно раннее образование Mrk 1216 и спокойную эволюцию без взаимодействий с другими галактиками, что позволяет отнести данный объект к редкому типу реликтовых галактик, пишут авторы в The Astrophysical Journal.

Существует несколько классификаций галактик, наиболее простая из которых предложена Эдвином Хабблом в 1926 году. С тех пор ее улучшали и дополняли, но в целом она сохранила общую структуру, которую также называют «вилка Хаббла» или «камертон Хаббла»: сначала на одной линии находятся галактики ранних типов, к которым относятся эллиптические и линзовидные, а затем диаграмма разделяется на две части. На верхней ветви расположены спиральные галактики без бара (вытянутой перемычки в центре), а на нижней — с баром. По мере продвижения по диаграмме ядро становится менее выражено, а количество спиральных ветвей уменьшается.

Считается, что массивные галактики ранних типов образовались в два этапа. На ранней фазе на объект выпадало значительное количество газа, что привело к интенсивному звездообразованию. В этот момент галактика относится к типу красных самородков (red nugget), которые выделили в самостоятельный класс в 2005 году. На следующем этапе, длившемся около 10 миллиардов лет, эволюция в основном определяется взаимодействиями с другими галактиками, что приводит к увеличению размера звездного диска без существенного звездообразования.

Непосредственное изучение галактик на первом этапе практически невозможно, так как на столь большом расстоянии не удается получить достаточно детальной информации. Однако поиски среди относительно близких галактик позволили выделить ряд объектов, которые по многим параметрам оказались аналогичны красным самородкам. В частности, у них экстремально старое звездное население (средний возраст более 13 миллиардов лет), а зависимость поверхностной яркости от радиуса похожа на далекие галактики, а не на современные. Эти свойства позволяют сделать предположение, что данные объекты являются реликтовыми галактиками, застывшими на первой фазе развития.

Для проверки гипотезы о древнем происхождении близких аналогов красных самородков Дэвид Буот (David Buote) и Аарон Барт (Aaron Barth) из Калифорнийского университета в Ирвайне решили исследовать параметры гало темной материи у этих галактик. Из 16 известных аналогов наиболее подходящей для детальных наблюдений оказалась галактика Mrk 1216. Для сбора данных авторы использовали космическую рентгеновскую обсерваторию «Чандра». Этот телескоп позволяет определить концентрацию горячего газа по интенсивности свечения и из него восстановить распределение массы.

Большинство современных ученых склоняются к верности космологической ΛCDM-модели, которая описывает компоненты Вселенной и их эволюцию во времени. Эта модель предполагает, что помимо известного нам барионного вещества также существует проявляющаяся посредством гравитации темная материя и темная энергия, которая отвечает за текущее ускоренное расширение пространства. ΛCDM предсказывает темп роста структур со временем, статистические свойства распределения галактик и их параметров в любой момент времени.

Если гипотеза о реликтовости Mrk 1216 верна, то свойства ее гало должны значительно отличаться от предсказаний ΛCDM для близких галактик. В частности, темная материя должна быть распределена более компактно. Анализ результатов наблюдения показал, что концентрация частиц внутри области, где плотность превышает среднюю по Вселенной в 200 раз, оказалась в разы выше, чем предсказывает теория: в стандартном предположении о распределении темной материи согласно профилю Наварро — Фрэнка — Уайта концентрация оказалась на уровне 30, в то время как ΛCDM предсказывает значением около 7.

«Большой возраст и плотная концентрация звезд в наблюдаемых относительно близко компактных эллиптических галактиках вроде Mrk 1216 были первыми ключевыми свидетельствами, что они являются потомками наблюдаемых на огромных расстояниях красных самородков, — поясняет Барт. — Мы считаем, что компактный размер изученного в данном случае темного гало закрывает вопрос (об их происхождении)».

В качестве дополнительного теста авторы также попытались объяснить наблюдаемые свойства Mrk 1216 в рамках модифицированной ньютоновской динамики (МОНД) — гипотезе, выдвинутой в качестве альтернативы темной материи. Оказалось, что данный подход не позволяет описать галактику без привлечения нового компонента вещества, а лишь изменяя гравитационное взаимодействие в случае малых ускорений.

Мотивацию введения темной материи и решаемые ей проблемы мы обсуждали в материале «Невидимый цемент Вселенной». Одну из альтернативных гипотез подробно для нас в интервью про «Тяжелый фотон» разобрал Дмитрий Горбунов. Также за последние годы астрономы нашли как минимум две галактики, которые на первый взгляд кажутся лишенными темной материи. Однако в недавней работе ученые утверждают, что такие результаты получены из-за неверного определения расстояния до них.