Пропавшие галактики? Сейчас их слишком много

Пропавшие галактики? Сейчас их слишком много

Shea C. Garrison-Kimmel / ELVIS

Астрономы не могли найти достаточно галактик-спутников, вращающихся вокруг Млечного Пути. Теперь у них противоположная проблема, которая говорит о том, что мы еще не все знаем о галактиках.

Взгляните на небо из Южного полушария: трудно пропустить Большое Магелланово Облако. Тот факт, что он выглядит как одно из спиральных ветвей Млечного Пути, хотя и меньше, свидетельствует о том, что это небольшая галактика примерно в 30 000 световых лет с несколькими миллиардами звезд.

И это не единственная спутниковая галактика, которая медленно вращается вокруг Млечного Пути. К 1999 году астрономы обнаружили еще дюжину спутников, многие из которых невидимы невооруженному глазу. Но в то время компьютерное моделирование эволюции Вселенной предсказывало, что в окрестностях Млечного Пути будет не дюжина, а тысячи крошечных спутников. Так куда же они пропали?

Эта загадка мучила астрономов почти два десятилетия. Исследователи предложили ряд возможных объяснений. Были новые идеи о том, как развиваются галактики. Также и были предположения о существовании экзотических форм темной материи - таинственной субстанции, которая составляет 84 процента материи во Вселенной.

Но за последние несколько лет произошло нечто странное. Новые исследования помогли астрономам найти больше спрятавшихся галактик-спутников. В то же время, обновленное компьютерное моделирование предсказало существование гораздо меньшего числа галактик, чем его предшественники.

Фактически, предположения о числе галактик из наблюдений и из теоретического моделирования сходились настолько быстро, что в конечном итоге пересекали друг друга. Если в начале 2000-х астрономы беспокоились о том, что спутников будет слишком мало, то к 2018 году их стало слишком много. Проблема пропавших спутников была вывернута наизнанку.

И все же сейчас некоторые астрономы видят потенциальное решение. Как это ни парадоксально, решение проблемы большого количества спутников может теоретически допускать то, что спутников может быть даже больше, чем считалось ранее - при условии, что они чрезвычайно малы.

Новый вид галактики

Астрономы сделали первый шаг к решению проблемы пропавших спутников в 2004 году. Именно тогда Бет Уиллман увидела темное изображение на экране компьютера, усыпанное красными, оранжевыми и синими звездами Млечного Пути и слабое пятно в центре. По крайней мере, она думала, что в центре было пятно. Она беспокоилась, что это был просто ее воображение.

Если это пятно окажется реальным физическим объектом, оно может быть очень слабой галактикой-карликом - чем-то, что всего на 1 процент ярче, чем самые маленькие, известные в то время, галактики.

Но это казалось невозможным. Лишь два года назад астрономы стали приводить аргументы в пользу того, почему карликовые галактики перестали открывать. Кроме того, казалось неестественным то, что такой слабый объект может удерживать газ, необходимый для образования звезды. «Я не решалась истолковать это», - вспоминает Уиллман. «Я подумала: «Эти объекты не могут существовать на самом деле. Они выглядят такими слабыми».

Но оказалось, что это реально. Открытие Уиллман первой очень слабой галактики-карлика дало понять, что внешние края Млечного Пути скрывают много секретов.

Со временем Слоановский цифровой обзор неба и Исследование темной энергии увеличили число известных спутниковых галактик до более чем 50. Многие из них были похожи на объект Уиллман - очень слабые карликовые галактики, которые могли быть настолько маленькими, что могли содержать только тысячу звезд.

Но даже эти исследования не охватывали все небо. И при этом они не могли точно определить каждую карликовую галактику в окрестностях Млечного Пути. Некоторые просто настолько слабы, что их уже не видно на определенном расстоянии.

В 2008 году была опубликована серия статей. Исследователи попытались подсчитать количество карликовых галактик, заполняющих Млечный путь, учитывая их особенности. Эта статистика вызывала тревогу. Эрик Толлеруд, астроном, и его коллеги подсчитали, что может быть целых тысяча невидимых карликовых галактик.

«Сейчас есть такое ощущение, что там скрывается множество очень маленьких галактик, но мы их не видим», - сказал Джеймс Буллок, астроном из Калифорнийского университета. «Это маленькие призрачные галактики».

Тем временем исследователи, включая Буллока, запускают новые компьютерные симуляции образования галактик. Они обнаружили, что такая большая галактика, как Млечный Путь, должна съедать этих призраков.

Лучшие космические модели

Ранние компьютерные симуляции истории Вселенной - те, которые предсказывали, что должно быть много тысяч галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути - имели главное ограничение: у них была только темная материя.

Это происходило по двум причинам. Первая состоит в том, что моделирование 14-миллиардной истории Вселенной во всей ее сложности совершенно невозможно. И все же, если вы моделируете только темную материю, это становится возможным. Темная материя относительно проста и взаимодействует только (насколько нам известно) посредством гравитации. Обычная материя, напротив, взаимодействует по-разному. Например, звезды могут взрываться. Эти взрывы высвобождают энергию в космос, которая нагревает окружающий газ. Они также наполняют Вселенную более тяжелыми элементами, которые питают звезды следующего поколения.

Симуляции только темной материи сделали замечательную работу по воссозданию крупномасштабной космической структуры Вселенной. Это подводит нас ко второй причине: темная материя играет огромную роль в организации космоса.

Темная материя обеспечивает леса, которые поддерживают галактики, разбросанные по всей нашей Вселенной. Возьмите Млечный Путь в качестве примера. Наша галактика находится внутри огромного облака темной материи, или гало. Космологи считают, что гало образовалось первым. Со временем гравитационное притяжение темного гало привлекло всю обычную материю.

Кроме того, гало содержит ряд мини-гало, которые сами образовали космические леса для спутниковых галактик, таких как Большие и Малые Магеллановы облака. Из-за этого темная симуляция на самом деле довольно хороша для видимой материи Вселенной.

Хороша, но не идеальна. Когда астрономы совершенствовали работу с вычислительными средствами, инженеры создавали более быстрые процессоры и ученые лучше понимали физические процессы, окружающие нормальную материю, появились инструменты, необходимые для сложных симуляций с нормальной материей.

В 2016 году Эндрю Ветцель из Калифорнийского университета в Дэвисе и его коллеги создали одну из первых реалистичных симуляций центральной галактики и ее легиона карликов. Она не была похожа на предыдущие темные модели. В модели Ветцела центральная галактика уничтожила так много карликов, что после 14 миллиардов лет осталось только 13. Если раньше карликовых галактик было очень много, то теперь их там почти не было.

Астрономы решили понять, почему. Во второй статье, опубликованной Ветцелем вместе с Ши Ша Гаррисон-Киммел, астрономом Калифорнийского технологического института, и его коллегами в середине 2017 года, сравнивались симуляции с нормальной материей и без нее. Они обнаружили, что при моделировании с нормальной материей дополнительный объем в галактическом диске дает центральной галактике гораздо более сильное гравитационное поле. И это все меняет. Без нее карлики попадают в Млечный Путь и убегают без единой царапины. Но с нормальной материей диск разрывает их на куски.

Работа еще больше сократила количество карликов, предсказанных моделями. Парадоксальным образом это также привело к увеличению количества карликов, которые, как думают астрономы, скрываются на окраинах Млечного Пути.

Моделирование Млечного Пути

Гаррисон-Киммел и его коллеги утверждали, что диск Млечного Пути очень голодный. Он питается карликами, но он грызет только те галактики, которые находятся близко к нему.

Из-за этого можно предположить, что рядом с диском Млечного Пути относительно немного карликовых галактик, причем их должно быть гораздо больше на внешних краях гало Млечного Пути. Когда Питер и ее коллеги приняли это во внимание, они подсчитали, что, вероятно, где-то между 800 и 1700 спутников находятся за пределами того, что могут обнаружить наши лучшие обсерватории. Но когда команда смоделировала, сколько спутников должно было сформироваться в ранней Вселенной, они обнаружили, что эти цифры были намного ниже, от 100 до 300.

А ноябрьское исследование Буллока и его коллег предполагает, что проблема может быть еще более острой. В отличие от предыдущих симуляций, которые просто фокусировались на трудно определимых галактиках, эта новая симуляция пытается смоделировать сам Млечный Путь.

Только 30 спутниковых галактик должны были дожить до наших дней. Это меньше, чем числа, которые астрономы уже нашли.

Оба исследования показывают, что ученые сталкиваются с противоположной проблемой, чем 20 лет назад: тысячи галактик, кажется, кишат вокруг Млечного Пути, но моделирование предсказывает только десятки.

Слишком маленький, чтобы сформировать галактику

Но Буллок и его коллеги не просто описали проблему, но и предложили решение. Моделирование уже давно предполагает, что вокруг Млечного Пути образовалось множество мини гало темной материи. Но астрономы утверждали, что эти гало не образуют галактик. Аргумент заключается в том, что существует порог, ниже которого эти гало просто не могут обладать достаточной силой тяжести, чтобы удерживать газ, необходимый для образования звезд. Таким образом, они были без звезд и невидимы.

В течение почти 20 лет астрономы считали, что порог для массы гало темной материи для образования галактики составляет примерно 500 миллионов масс Солнца. Но команда Буллока подозревает, что он намного ниже, примерно в 30 миллионов раз больше массы Солнца.

Если такие маленькие элементы темной материи могут хвататься за достаточно обычную материю для создания звезд (и, следовательно, галактик), тогда симуляции начинают совпадать с наблюдениями. Действительно, команда Буллока смогла смоделировать галактики, которые реальны. Мало того, что количество смоделированных мини-гало совпадает с числами, предсказанными наблюдениями, но и формы орбит галактик даже похожи на те, которые мы уже обнаружили.

Хотя загадка заключается в том, как эти мини-гало образуют карликовые галактики, которые намного меньше, чем считалось ранее, все это, вероятно, поможет астрономам понять природу темной материи.

Большинство космологов считают, что частицы темной материи «холодные», что означает, что они медленно движутся. Из-за этого они могут соединяться в многочисленные крошечные гало, создавая множество мест, где могут образовываться карликовые галактики. Но «теплая» или «горячая» темная материя, которая по определению движется быстрее, не может так легко объединиться. На самом деле, горячие частицы вообще не могут образовывать мини-гало. Таким образом, само существование этих маленьких галактик является признаком того, что теплая темная материя, вероятно, не в игре. «Это очень плохие новости для альтернативных сценариев темной материи», - сказал Буллок.

И важность этого нельзя недооценивать.

Уиллман признает, что она начала задаваться вопросом, смогут ли ученые когда-нибудь по-настоящему использовать эти крошечные галактики, чтобы узнать что-то фундаментальное о темной материи. «Но с такими исследованиями, как [у Келли], я действительно начинаю думать, что мы на правильном пути», - сказала Уиллман.

Тем не менее, Ветцель задается вопросом, может ли Млечный путь быть просто частью чего-либо. В связи с этим он беспокоится о будущих исследованиях.

И если будущие исследования подтвердят существование множества крошечных галактик вокруг Млечного Пути, Андромеды и других галактик, то это не только повлияет на наше понимание темной материи. Это также увеличит количество галактик по всему космосу.

Буллок утверждает, что около 1000 крошечных галактик, вероятно, вращаются вокруг каждой большой галактики, такой как Млечный путь. Кроме того, карликовые галактики также заполняют огромные участки, казалось бы, пустого пространства между большими галактиками. Таким образом, на каждую большую галактику во Вселенной может приходиться до 100 000 карликовых галактик.

Сегодня, по оценкам астрономов, в наблюдаемой Вселенной, вероятно, есть 100 миллиардов галактик. Но это галактики размером с Млечный путь. Если вы подумаете о мини-галактиках, тогда их может быть более 10 миллионов миллиардов.