Вращение карликовых галактик не смогли объяснить имеющимися теориями

Ученые не смогли выявить явного лидера среди теорий, предложенных для объяснения разнообразия особенностей вращения карликовых галактик. Оказалось, что все варианты лишь частично справляются с задачей: ни одна из теорий не в состоянии воспроизвести всю полноту наблюдающихся параметров, пишут авторы в препринте на сайте arXiv.org.

Основные видимые компоненты галактик — это звезды и газ, причем их концентрации можно определить из наблюдений яркости свечения в различных диапазонах спектра. Следовательно, можно восстановить распределение плотности вещества по галактике. Если предположить, что на это вещество приходится большая часть массы галактики, то из полученного распределения можно теоретически вычислить кривую вращения — зависимость скорости движения звезд по галактическим орбитам в зависимости от расстояния до центра.

В абсолютном большинстве случаев сделанное таким образом предсказание не сойдется с наблюдениями. Например, в крупных спиральных галактиках, как правило, скорость довольно резко увеличивается недалеко от центра, а затем слабо меняется вплоть до очень больших расстояний. В то же время, исходя из оценки плотности на основе светящегося вещества, должен наблюдаться менее резкий рост, достижение максимума и снижение к малым значениям на окраине.

Для объяснения этого расхождения было предложено несколько теорий. Наиболее популярная на данный момент предполагает существование невидимого компонента Вселенной — темной материи. Это вещество не излучает и не поглощает свет, но обладает массой, из-за чего может влиять на движения обычной материи посредством гравитации. Для большинства крупных галактик и их скоплений очень простое распределение массы в окружающем их гало из темной материи позволяет привести теорию в соответствие с наблюдениями.

Однако для карликовых галактик, у которых наблюдается гораздо большее разнообразие форм кривых вращения, зачастую такого сделать не удается. В частности, в таких системах кривые вращения могут расти в центре еще быстрее, чем ожидается при наличии темной материи, или, наоборот, проходить ближе к предсказаниям теории вообще без невидимого компонента Вселенной. В первом случае это указывает на повышенную плотность массы в центре, а во втором — пониженную.

Астрофизики при участии Изабель Сантос-Сантос (Isabel Santos-Santos) из Университета Виктории в Канаде проанализировали имеющиеся теории, которые используются для объяснения кривых вращения карликовых галактик. Авторы разбили их на четыре категории: барионные эффекты (мощные течения из системы или в ее центр), физика темной материи (возможность участия частиц темной материи не только в гравитационном взаимодействии), нестандартные законы ускорения обычной материи (например, модифицированная гравитация на малых ускорениях) и неточности определения скоростей (возможность преобладания эллиптических, а не круговых орбит в центре).

Выбранный авторами метод заключался в использовании численного моделирования (симуляция гидродинамики на космологических масштабах) карликовых галактик с учетом особенностей различных теорий и сравнении получающегося разнообразия с реальными данными. Ученые исследовали положения галактик в координатах двух скоростей вращения: на характерном радиусе, отделяющим внутреннюю часть от внешней, и на максимальном удалении от центра. Изученные модели предсказывают различные области преимущественного расположения галактик, которые сопоставлялись с распределением известных систем.

В результате астрономы пришли к выводу, что ни один из рассмотренных вариантов не способен описать все наблюдательные данные. В то время как большинство теорий могут объяснить отдельные аспекты, хуже всего себя проявили нестандартные законы ускорения: они не могут правильно воспроизвести ключевой параметр — скорость во внутренних регионах галактик. Отдельно авторы пишут, что значительную часть данных удается описать эллиптическими траекториями объектов в центральных частях галактик, но в таком случае требует отдельного объяснения то обстоятельство, что этот эффект значим только в случае галактик с низкой поверхностной яркостью.

Недавно выяснилось, что скорость вращения крупнейших спиральных галактик превышает ожидаемую. О попытках объяснить кривые вращения с помощью массивной гравитации читайте в материале «Тяжелый фотон». Также мы составляли тест по основным моделям темной материи — «Какая ты темная материя?».

Тимур Кешелава