Астрономам, похоже, удалось решить проблему, которая угрожала разрушить всю современную теорию образования структуры Вселенной. Ученые под руководством Фабио Говернато из университета американского штата Вашингтон выяснили, почему карликовые галактики так не похожи на своих более крупных собратьев. Разгадка опубликована в последнем номере Nature.
Холодная и темная
Звезды, галактики и все то, что видно в телескопы, составляет лишь малую часть вселенского вещества. Бóльшая его часть невидима, и астрономы называют ее темной материей.
Именно она позволила галактикам собраться из газа, равномерно размазанного по Вселенной после Большого взрыва, и именно она управляет движением галактик в наши дни.
Из чего состоит темная материя – пока загадка, хотя некоторые намеки на ее физическую природу появляются. Однако вот уже четверть века астрономы уверены, что это вещество холодное. Составляющие его частицы массивны и движутся медленно, что и позволяет им скучиваться во все более и более крупные структуры. Из маленьких сгустков сложились средние, из средних – большие. В этих темных гало собрались маленькие галактики, а из них уже выросли гиганты вроде Млечного Пути. Сейчас они объединись в огромные скопления, которые тянутся на десятки и сотни миллионов световых лет.
Две проблемы
Парадигма холодной темной материи превосходно описывает наблюдения почти на всех пространственных и временных масштабах – от огромной космической сети, в которую выстроены галактики, до происхождения и эволюции звездных систем разных типов. Однако до сих пор перед ней оставались две большие проблемы, и обе связаны с галактиками-карликами.
Во-первых, теория предсказывает, что вокруг крупных звездных систем вроде Млечного Пути должно быть существенно больше карликовых спутников, чем наблюдается на деле. Это так называемая проблема избытка спутников. Тем не менее, последнее время она решается сразу с обоих концов – наблюдатели находят все больше карликов, а теоретики находят убедительные причины, по которым многие из карликов должны быть невидимыми.
Во-вторых, из теории следует, что галактики-карлики должны быть более или менее похожи на своих крупных собратьев. В частности, в их центрах должны быть крупные вздутия, так называемые балджи, в которых очень много звезд и еще больше темной материи. Однако такие вздутия есть только у крупных систем, а у карликов их почему-то нет (или почти нет). Эту недостачу называют проблемой углового момента.
Забытый газ
До сих пор вторая проблема казалась неодолимой. Мощность компьютеров росла, расчеты усложнялись, но получить на выходе что-то похожее на наблюдения не удавалось. Какую-то надежду давали лишь попытки грамотно включить в расчеты поведение барионов, то есть обычного вещества – газа и звезд, которыми обычно пренебрегают. Но надежда эта была слабой: темная материя значительно превосходит светлую по массе, и казалось, что толку от усложнения расчетов будет немного. Предполагалось, что барионов слишком мало, чтобы заметно изменить судьбу галактики, и это особенно верно для карликовых систем, в которых темное вещество сильнее доминирует над светлым.
В последние годы все громче раздавались призывы отправить холодную темную материю в отставку, несмотря на все успехи этой модели. На замену предлагали много моделей. Одной из самых популярных среди них была так называемая «теплая» темная материя. Сторонники этой теории полагают, что темное вещество состоит из относительно легких, но быстро движущихся частиц; именно это быстрое движение и сглаживает поведение плотности в центральных частях относительно небольших галактик.
Решение в пузыре
Видимо, теперь на такие жертвы, как отказ от парадигмы холодной темной материи, астрономам идти не придется. Как оказалось, светлое вещество рано списывали со счетов. Именно звезды способны объяснить загадку карликов. И, как ни парадоксально, именно благодаря звездам (более того — самым ярким из них) в маленьких галактиках так много темного вещества и так мало светлого.
Согласно расчетам Говернато и его коллег, ключ к разгадке – это взрывы сверхновых, которыми заканчивается жизнь самых массивных звезд. Они разметают окружающий их плотный газ, не дают ему сконденсироваться в звезды и выдувают огромные «пузыри» в распределении барионного вещества.
В больших звездных системах взметенный взрывом сверхновой газ в конечном счете падает обратно в галактический диск, и звезды из него все-таки получаются; более того, волна сжатия от сверхновой лишь помогает рождению новых светил. А вот притяжение карликов оказывается недостаточным, чтобы удержать этот звездный ветер, и он отправляется в свободное «плавание» по Вселенной. На каждую сконденсировавшуюся звезду приходится несколько так и не родившихся, ошметки которых расплываются в межгалактическом пространстве.
«Газ покидает гало галактики насовсем, – пояснил в интервью Infox.ru руководитель работы Фабио Говернато. – Он расширяется и охлаждается, так что его очень трудно обнаружить в наблюдениях».
Как с картинки
Лишенные обычного газа пузыри влияют и на темную материю. Газ притягивает ее частицы, и они устремляются в плотные области звездообразования с большой скоростью. Но к тому моменту, как темная материя достигает плотного облака, на его месте оказывается пустой пузырь, и темное вещество просто проскакивает через эту область пространства. Поэтому ему так и не удается собраться в плотный сгусток в центре, а потом и притянуть туда звезды для образования «стандартного» балджа.
расчеты
Столетний счет
Всего на вычисления ушло около миллиона часов (примерно 100 лет) процессорного времени, которые, к счастью, удалось разделить между несколькими суперкомпьютерами в США и Европе. Не так уж и много в сравнении с 13,5 миллиарда лет эволюции галактик, которые удалось промоделировать.
Астрономы построили модели двух карликовых галактик с полноценным учетом рождения и гибели звезд, а также их взаимодействия с газом. Кроме того, они просчитали контрольную группу моделей, в которых почти не учитывается барионная физика. В обеих «полноценных» моделях никакого балджа не получилось, а появившиеся в расчетах галактики очень напоминают реально наблюдаемые карликовые системы.
Марла Геха, автор обзорного комментария, которым Nature сопроводил выход работы Говернато и коллег, даже загадала читателям шараду. Она поместила рядом с фотографией настоящей карликовой галактики изображение, построенное по одной из рассчитанных моделей, и предложила читателям догадаться, где фальшивка. Корреспондент Infox.ru в выборе ошибся.
Нужды все меньше
Другие теоретики в сходном направлении пытаются найти решение второй проблемы парадигмы холодной темной материи – избытка маломассивных спутников Млечного Пути. И это у них также получается: как оказывается, многим маленьким галактикам так и не удается зажечься звездным светом. Едва-едва газовое облако достаточно остынет и сожмется, чтобы из него смогли появиться звезды, как первое же поколение сверхновых навсегда выбрасывает газ за пределы карлика. И мы этих малышей так никогда и не видим.
В итоге получилось, что ключ к разгадке неизвестной физики темной материи – холодная она или теплая, быстрая или медленная – был в грамотном учете физики обычного, барионного вещества. Означают ли эти успехи, что о модели теплой темной материи можно забыть? «Очень хочется сказать, что да, – признался Говернато Infox.ru. – По крайней мере, нужды в ней все меньше».
