Галактика, которой почти нет

В огромном пространстве скопления галактик Персея, примерно в 300 миллионах световых лет от Земли, астрономы выявили один из самых необычных объектов известной вселенной. Названная CDG-2, эта галактика настолько тусклая, что она почти невидима, заслужив выразительное прозвище галактики-призрака. Примечательность CDG-2 заключается не в том, что она содержит, а в том, чего ей не хватает: видимой материи. Примерно 99 процентов общей массы галактики состоит из темной материи, загадочного вещества, которое взаимодействует с гравитацией, но не излучает свет.

Открытие, сделанное с помощью космического телескопа Hubble, представляет значительный прогресс в способности астрономов обнаруживать самые неуловимые объекты вселенной. CDG-2 классифицируется как галактика с низкой поверхностной яркостью, категория объектов настолько тусклых, что они производят едва обнаруживаемое количество света по всей своей поверхности. Многие такие галактики, вероятно, существуют во всей вселенной, но остались скрытыми просто потому, что наши приборы и методы обнаружения были недостаточно чувствительны для их поиска.

Гениальный метод обнаружения

Поиск галактики, которая производит почти никакого света, требовал творческого подхода. Исследовательская группа не открыла CDG-2, ища диффузное свечение звездного света, которое характеризует большинство открытий галактик. Вместо этого они применили инновационный подход: поиск плотных сгруппирований шаровых скоплений.

Шаровые скопления - это плотные, сферические скопления звезд, как правило содержащие сотни тысяч до миллионов звезд, сжатых в относительно компактный объем. Эти древние звездные образования являются одними из самых старых структур во вселенной и обычно встречаются на орбитах вокруг галактик. Ключевое понимание было в том, что шаровые скопления, несмотря на тускловость их галактики-хозяйки, все еще могут быть индивидуально обнаруживаемы острой оптикой Hubble.

Когда исследователи выявили подозрительное сгруппирование из четырех шаровых скоплений, которые казались пространственно связанными, они провели дальнейшие исследования и обнаружили чрезвычайно тусклую базовую галактику. Четыре шаровых скопления составляют примечательные 16 процентов всего видимого света, излучаемого всей системой CDG-2, подчеркивая, как мало обычной светящейся материи содержит галактика.

Доминирование темной материи

Хотя все галактики содержат некоторое количество темной материи, доля в CDG-2 экстремальна. В типичной галактике, как Млечный Путь, темная материя составляет примерно 85-90 процентов от общей массы. Видимая материя, включая звезды, газ, пыль и планеты, составляет остальные 10-15 процентов. В CDG-2 видимая материя составляет приблизительно один процент общей массы, что делает ее одной из самых система, доминируемых темной материей, когда-либо наблюдавшихся.

Это поднимает фундаментальные вопросы об образовании и эволюции галактик. Как может образоваться галактика с такой малой обычной материей? Какие физические процессы могли бы удалить практически всю газ и звезды, оставляя нетронутым ореол темной материи?

Исследователи считают, что ответ кроется в окружении CDG-2. Скопление Персея является одним из самых массивных и плотных скоплений галактик в близлежащей вселенной, содержащим тысячи галактик, гравитационно связанных вместе. В таких переполненных окружениях галактики часто взаимодействуют друг с другом и с горячим межскоплением газа, который заполняет пространство между ними.

Эти взаимодействия могут кардинально изменить состав галактики несколькими механизмами:

  • Абляция давлением таранного удара происходит, когда галактика движется через горячий межскоплением газ, который действует как мощный ветер, выдувающий собственный запас газа галактики. Без газа галактика не может образовать новые звезды
  • Гравитационные приливные силы от близлежащих массивных галактик могут физически вытащить звезды и газ из меньшей галактики, перераспределяя их в межгалактическую среду
  • Преследование через повторные тесные встречи с другими галактиками постепенно нагревает и выбрасывает материал из галактики на протяжении миллиардов лет

Исследователи пришли к выводу, что большая часть водородного газа CDG-2, сырого материала, необходимого для звездообразования, вероятно, была удалена гравитационными взаимодействиями с другими галактиками в переполненном скоплении Персея. На протяжении миллиардов лет галактика была по сути опустошена своей видимой материей, в то время как ее ореол темной материи, который является гораздо более протяженным и гравитационно прочным, остался в значительной степени нетронутым.

Что CDG-2 рассказывает нам о темной материи

Существование CDG-2 предоставляет ценные ограничения на природу самой темной материи. Различные теоретические модели темной материи предсказывают различные распределения и плотности темной материи в структурах галактического масштаба. Объект, состоящий почти полностью из темной материи, с практически не осложняющих вкладов от барионной (обычной) материи, предлагает необычайно чистый тестовый случай для этих моделей.

Если темная материя ведет себя так, как предсказывает стандартная модель холодной темной материи, галактики, подобные CDG-2, должны демонстрировать специфические характеристики с точки зрения их распределения масс, размера и гравитационного влияния на окружающие объекты. Отклонения от этих предсказаний могут указывать на альтернативные модели темной материи, включая теории теплой темной материи или самовзаимодействующей темной материи.

CDG-2 также способствует текущим дебатам о так называемой проблеме отсутствующих спутников. Стандартные космологические модели предсказывают, что крупные скопления галактик должны содержать намного больше малых структур, доминируемых темной материей, чем наблюдали астрономы. Если многие из этих предсказанных структур являются галактиками-призраками, подобными CDG-2, слишком тусклыми для обнаружения традиционными методами, то расхождение между теорией и наблюдением может быть меньше, чем предполагалось ранее.

Новый подход к поиску скрытых галактик

Метод обнаружения, использованный для поиска CDG-2, имеет последствия, которые выходят далеко за пределы этого единственного открытия. Доказав, что шаровые скопления могут служить надежными маркерами для идентификации ультратусклых галактик, исследовательская группа предоставила астрономическому сообществу новую стратегию поиска.

Шаровые скопления достаточно яркие, чтобы их можно было обнаружить на значительных расстояниях, даже когда галактика, которую они обходят, слишком тусклая для прямого наблюдения. Систематические обследования населения шаровых скоплений в скоплениях галактик могли бы потенциально раскрыть большую популяцию галактик-призраков, которые скрывались на виду, упускаемые из виду обследованиями, которые зависят от обнаружения диффузного звездного света.

Будущие наблюдения с помощью космического телескопа James Webb, который имеет большую чувствительность в инфракрасных длинах волн, могли бы расширить этот поиск на еще более тусклые и более далекие объекты. Сочетание острого оптического изображения Hubble и инфракрасных способностей JWST обеспечивает астрономов мощным набором инструментов для картирования скрытых структур вселенной.

Последствия для космологии

Открытие CDG-2 добавляет еще один кусок к сложной головоломке того, как вселенная структурирована в своих крупнейших масштабах. Темная материя составляет примерно 27 процентов от общего содержания массы-энергии вселенной, но остается одним из наименее понимаемых компонентов космоса. Каждое новое наблюдение, которое ограничивает ее свойства и поведение, приближает ученых постепенно ближе к пониманию того, что темная материя на самом деле.

Галактики-призраки, подобные CDG-2, могут быть намного более распространены, чем предполагают текущие обследования. Если это окажется верным, это означало бы, что значительная доля галактических структур вселенной по сути невидима, обнаруживаемая только через их гравитационные эффекты и случайное наличие шаровых скоплений, цепляющихся к их ореолам темной материи. Вселенная может быть значительно более населена галактиками, чем указывает видимая перепись, с большей частью ее галактического содержания, завернутого во тьму.

Эта статья основана на сообщении Science Daily. Прочитайте оригинальную статью.