Ученые несколько дней наблюдают загадочную галактику и не находят следов темной материи

Теории темной материи

Предположение о существовании темной материи во Вселенной было сделано в 1930-х годах американским астрофизиком Фрицем Цвикки, чтобы объяснить несоответствие между измеренной им скоростью движения галактик в скоплении Кома и скоростью, которую можно было ожидать, исходя из общей массы. вещества в скоплении, наблюдаемом в телескоп. Присутствие в нем достаточного количества ранее неизвестной материи, которую назвали темной материей, могло объяснить слишком высокую измеренную скорость галактик.

Эта гипотеза была подтверждена в 1970-х годах наблюдениями астронома Веры Рубин, которая измерила скорости вращения звезд, расположенных на периферии галактики Андромеды, и обнаружила, что они близки к скоростям звезд вблизи центра, что, опять же, было несовместимо с наблюдаемой массой вещества в галактике. Как и в случае с наблюдениями Цвикки, проблема была решена наличием большого количества невидимой материи, и ее масса должна была быть в десятки раз больше, чем масса барионной материи.

Роль темной материи

Существование темной материи подтверждается также особенностями неоднородности космического микроволнового фона и тем фактом, что без этого вещества галактики и их скопления не успели бы сформироваться за время жизни Вселенной.

Учитывая важную роль, которую темная материя играет в объяснении динамики галактик и их скоплений, открытие галактик, не содержащих этот тип материи, стало неожиданностью для ученых. Обнаруженные галактики относятся к типу ультрадиффузных карликовых галактик с плотностью вещества и светимостью в сотни и тысячи раз меньше, чем у Млечного Пути.

Однако позже аномальность этих галактик была поставлена ​​под сомнение: оказалось, что астрономы неправильно измерили расстояние до одной из них, что привело к неверной оценке масс разных типов материи в ней, а от второй — темной. материя могла быть извлечена соседней массивной галактикой. Казалось бы, эти корректировки решили проблему существования галактик без темной материи.

Галактика ACG 114905, в которой мало или совсем нет темной материи

В 2021 году группа астрофизиков из Великобритании, Нидерландов и США под руководством Павла Э. Манчера Пинья из Университета Гронингена и института ASTRON открыла галактику AGC 114905, в которой темной материи мало или совсем нет.

Эта галактика расположена на расстоянии 76 ± 5 мегапарсек от Земли и представляет собой диск, в котором плотность звезд спадает как e ^{-r / R} при удалении от центра на расстояние r, а характерный масштаб расстояний R составляет 1,79 ± 0,04 килопарсек.

Масса галактики (1,4 ± 0,3) × 10 ⁹ массы солнца. Общее время наблюдения галактики с помощью телескопа VLA составило 40 часов с июля по октябрь 2020 года. Как и два предыдущих кандидата в галактики без темной материи, ультрадиффузная карликовая галактика AGC 114905 богата газом.

Скорость вращения вещества в галактике

Исследователи измерили скорости вращения материи в галактике, и оказалось, что для их объяснения не нужна темная материя — достаточно обычной барионной материи, сосредоточенной в звездах и межзвездном газе. Если в галактике есть темная материя, то она не в десятки раз больше барионной материи, как в большинстве галактик (или хотя бы в 5, как в среднем по Вселенной), а примерно в шесть раз меньше, что не укладывается в современные космологические модели образования галактик.

Ученые считают, что длительное и тщательное наблюдение галактики AGC 114905, которое они провели, исключает возможность существенной ошибки в определении расстояния до нее. А именно это послужило причиной ошибочного вывода об отсутствии темной материи в одном из предыдущих случаев. Также в окрестностях AGC 114905 нет достаточно массивного спутника, который мог бы вытягивать из себя темную материю.

Еще одно возможное решение загадки с необычно низкой массой темной материи в галактике — это очень большой размер гало с очень низкой плотностью. Однако это, как и уже упомянутая низкая плотность, само по себе не укладывается в современное понимание процесса образования галактик. Чтобы проверить эту гипотезу, необходимо измерить скорости материи в галактике на большем расстоянии от центра.

Иногда, чтобы объяснить отсутствие наблюдений за частицами темной материи в лабораторных экспериментах, ученые используют одну конкретную гипотезу. В нем говорится, что темной материи не существует, и противоречие между наблюдаемой скоростью движения материи в галактиках и предсказаниями теории объясняется тем фактом, что теория гравитации должна быть изменена в галактическом масштабе.

Эта теория называется модифицированной ньютоновской динамикой (MOND). Однако предсказания этой теории также сильно расходятся с наблюдениями AGC 114905.

Исследователи ссылаются на неправильную оценку угла наклона галактики как на основной возможный источник ошибки, но указывают, что для того, чтобы данные наблюдений AGC 114905 соответствовали существующему пониманию космологии, эта ошибка должна быть невероятно большой.

Более того, недавно были обнаружены еще пять кандидатов в галактики без темной материи, которые имеют другой наклон по отношению к линии наблюдения с Земли. Ученые считают, что необходимы дальнейшие астрономические наблюдения, чтобы подтвердить отсутствие темной материи в некоторых ультрадиффузных карликовых галактиках.