Последние месяцы несколько научных групп, не сговариваясь, сконцентрировали свои усилия на самой “главной” части нашей Галактики – на её центре. Их результаты заставляют думать, что там не всё ладно.
И с этим невольно хочется согласиться, поскольку используемые этими группами подходы основаны на различных независимых данных, но вывод один – центр Галактики совсем не такой, как думали до сих пор.
Сюда относятся исследования природы избытка гамма-излучения высоких энергий в центральной области Галактики с одной стороны, рис.1. С другой – это динамика звёзд в её далёкой периферии в 80 тысяч световых лет.
Начнём издалека – с расстояний в 40 – 80 тысяч световых лет. Три недели назад X. Ou и соавторы опубликовали в статью (Montly Notices of the Royal Astronomical Society, 8 Jan 2024), где привели аргументы, что звёзды на дальней периферии Галактики вращаются медленнее, чем считалось до сих пор.
Это довольно серьёзное заявление, которое, если подтвердится, изменит общую картину эволюции и строения Вселенной и даже затронет физику элементарных частиц.
Давайте разберёмся с самого начала.
В Галактике всё вращается вокруг общего центра. Существуют движения и в других направлениях. Они слабее, носят локальный характер и не могут влиять на общую динамику вращения.
Скорость вращения изменяется в зависимости от расстояния объекта до центра Галактики – чем дальше, тем меньше скорость. Если бы вся масса Галактики была сосредоточена в её центре, то скорость вращения уменьшалась бы с удалением, как у планет Солнечной системы.
Это третий закон Кеплера: скорость обращения на орбите обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния.
В действительности в нашей Галактике, а вместе с ней и в других галактиках, всё по-другому. Во-первых, масса Галактики распределена, как это видно на титульном рисунке, по тому же объёму, где летают звёзды.
Каждая звезда вращается по круговой орбите под действием той гравитации, которую создают все звёзды во внутренней по отношению к орбите области. Поэтому скорости звёзд уменьшаются медленнее, чем по третьему закону Кеплера.
Это еще не всё. Существует ещё одна загадочная причина. Впервые на неё обратил внимание швейцарский астрофизик Ф. Цвикки, когда изучал движение галактик в скоплении галактик Кома.
Галактики там двигались настолько быстро, что нужно было “придумать” дополнительную гравитацию. Цвикки предположил наличие в скоплении “темной”, то есть, невидимой материи, которая добавляет гравитацию.
Впоследствии, около 60-ти лет назад, на скрытую массу обратили внимание В. Рубин и К. Форд при измерении скоростей в галактике Андромеда. С тех пор и по сей день гипотеза о “тёмной материи” тщательно проверялась, и всякий раз её существование подтверждалось.
В настоящее время “тёмная материя” – абсолютно “легитимный” компонент нашей Вселенной. Её доля в массе Вселенной равна 26%. Это много, особенно, если принять во внимание, что доля барионов – то, из чего состоим мы и всё, что нас окружает, – всего около 4%. Остальные 70% приходятся ещё на одну мистическую субстанцию – “тёмную энергию”.
Однако природа “темной материи” так и скрывается от нашего понимания. Мы до сих пор не знаем, что это такое (статья Евклид взвешивает Вселенную).
На измерение характеристик “темной материи” в нашей Галактике на основе новых наблюдательных данных о скоростях звёзд, были направлены усилия группы астрофизиков из Массачусетского технологического института (MIT).
Статья об этом исследовании с первым автором X. Ou опубликована три недели назад (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2024, 8 Jan). Результат ошеломил многих. Дело вот в чём.
Авторы измерили скорости вращения более 120 тысяч звёзд в пределах расстояний от центра Галактики до 100 тысяч световых лет на её периферии. В проекте использовался комбинированный подход со спектральными возможностями APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, обсерватория Апачи Пойнт) и данными космических обсерваторий Gaia и WISE ( Wide-field Infrared Survey Explorer), и обзора всего неба 2MASS (Two Micron All-Sky Survey). Такая комбинация позволяла измерять положения звёзд, оценивать их параметры, а также определять скорость вращения лучше, чем прежние измерения.
Здесь важно отдельно сказать о трудностях измерения скоростей вращения звёзд с Земли. Солнечная система находится на периферии Галактики на расстоянии 26 тысяч световых лет от центра, как показано на рис. 2.
Сложной проблемой проекта было измерение “тангенциальных” скоростей звёзд, то есть звёзд, перпендикулярных лучу зрения. Эту задачу решала обсерватория Gaia – она была создана как раз для прецизионного измерения скоростей звёзд, в том числе “тангенциальных”.
Точность достигаемых ею измерений в настоящее время беспрецедентна. Тангенциальные скорости определяются многократными измерениями смещений по небесной сфере каждой отдельной звезды из всего заранее заданного множества. Всего звезд в этом множестве - 1 миллиард.
На рис. 3 показан результат, полученный с использованием базы данных Gaia – зависимость скорости вращения звёзд Галактики.
На рис. 3 видно, что измерения высокой точности, проведенные группой из MIT, показывают более быстрое уменьшение скорости вращения на расстояниях, превышающих 65 тысяч световых лет. А за пределом 80 тысяч световых лет зависимость скорости вращения от расстояния показывает почти скачкообразное уменьшение.
По мнению авторов это свидетельствует о том, что масса тёмной материи существенно меньше, чем оценивалась ранее. Их оценки дают величину примерно в 10 раз меньшую, чем принималось до недавнего времени – примерно 160 млрд масс Солнца вместо 1 триллиона.
Более того, радиальное распределение тёмной материи, следующее из модели группы MIT, отличается от привычного распределения – так называемого “профиля Наварро-Френка-Уайта” по имени авторов, известного с 1996 г. С тех пор оно настолько широко применяется во всей астрофизике, что без тёмной материи существование галактик, да и всей Вселенной в том виде, к которому мы привыкли представляется невозможным.
К каким последствиям это может привести в теории строения и эволюции Вселенной, в физике галактик и их скоплений, покажет время. В планах группы продолжать исследования в этом направлении с тем, чтобы построить надежную картину распределения тёмной материи в Галактике.
Мы все привыкли к мистической тёмной материи настолько, что устройство Вселенной без неё кажется ещё большей мистикой.
