Когда мы представляем себе галактику, обычно возникает образ Млечного Пути или Туманности Андромеды: плотное яркое ядро, от которого отходят спиральные рукава, усеянные миллиардами звёзд. Но во Вселенной существует совершенно иной тип галактик, который бросает вызов нашим представлениям о том, какой должна быть галактика. Это ультра-диффузные галактики — гигантские звёздные системы размером с Млечный Путь, но содержащие в сотни раз меньше звёзд. Они настолько разрежены, что кажутся прозрачными, и долгое время их не могли обнаружить, потому что они просто терялись на фоне космической темноты.
1. Что такое ультра-диффузная галактика
Ультра-диффузные галактики — это класс галактик с чрезвычайно низкой поверхностной яркостью. Их размеры сопоставимы с размерами крупных спиральных галактик (десятки тысяч световых лет в поперечнике), но количество звёзд в них в 100-1000 раз меньше. Звёзды в ультра-диффузных галактиках распределены настолько разреженно, что через галактику можно видеть фоновые объекты — она буквально прозрачна.
Если бы Млечный Путь был такой же разрежённой, как типичная ультра-диффузная галактика, на нашем небе не было бы видно звёздной полосы — галактика была бы едва заметным туманным пятном.
Первые ультра-диффузные галактики были обнаружены в 1980-х годах, но их систематическое изучение началось только в 2010-х, когда появились широкоугольные обзоры неба с большой чувствительностью. Оказалось, что такие галактики очень распространены — особенно в скоплениях галактик.
2. Как их обнаруживают
Обнаружить ультра-диффузную галактику — всё равно что найти дымку в тумане. Их поверхностная яркость часто меньше 26 звёздной величины на квадратную угловую секунду — это в 100-1000 раз тусклее, чем типичная галактика.
Современные методы:
- Широкоугольные обзоры. Телескопы с большим полем зрения (например, Dragonfly, Subaru Hyper Suprime-Cam, Dark Energy Camera) фотографируют огромные участки неба с длительными выдержками.
- Визуальный поиск. Астрономы просматривают снимки в поисках очень бледных, размытых пятен, которые не похожи на обычные галактики. Многие ультра-диффузные галактики были открыты добровольцами в проекте Galaxy Zoo.
- Автоматические алгоритмы. Нейронные сети обучаются находить диффузные объекты на фоне неба и отличать их от артефактов изображения.
Особенно много таких объектов находят в скоплениях галактик — например, в скоплении Девы, в скоплении Волос Вероники и в скоплении Печи. В скоплении Волос Вероники открыто более 1000 ультра-диффузных галактик, что составляет значительную долю всех галактик в этом скоплении.
А знаете ли вы? Некоторые ультра-диффузные галактики настолько разрежены, что их не видно в видимом свете, но они отлично видны в радиодиапазоне (по излучению нейтрального водорода) или в ультрафиолете.
3. Примеры известных ультра-диффузных галактик
Dragonfly 44. Одна из самых известных ультра-диффузных галактик, открытая в 2015 году в скоплении Волос Вероники. Её размеры сопоставимы с Млечным Путём (диаметр около 60 000 световых лет), но звёзд в ней всего около 0,01% от числа звёзд в нашей Галактике. При этом наблюдения показали, что масса Dragonfly 44 огромна — сравнима с массой Млечного Пути. Около 99% её массы приходится на тёмную материю. Это открытие показало, что ультра-диффузные галактики могут быть «тёмными галактиками» — объектами, состоящими почти полностью из тёмной материи.
NGC 1052-DF2. Открыта в 2018 году в скоплении Кита (на расстоянии 65 миллионов световых лет). Эта галактика вызвала сенсацию, потому что в ней почти нет тёмной материи — звёзды движутся с такими скоростями, которые можно объяснить только видимой массой. Отсутствие тёмной материи противоречит стандартной космологической модели, и астрономы до сих пор спорят о её происхождении. Возможно, это не ультра-диффузная галактика в классическом понимании, а приливной хвост или результат близкого взаимодействия с другой галактикой.
NGC 1052-DF2 не содержит тёмной материи, но содержит очень много шаровых скоплений — около 20, что для такой тусклой галактики очень много.
Другие известные объекты: FGC 1287 (в скоплении Девы), AGC 242019 (изолированная ультра-диффузная галактика вне скоплений), UGC 2162 (с необычным газовым диском).
4. Как они образуются — гипотезы
Существует несколько гипотез происхождения ультра-диффузных галактик, и, вероятно, разные объекты этого типа образовались разными путями.
«Неудавшиеся» галактики. Согласно этой гипотезе, ультра-диффузные галактики изначально были нормальными карликовыми галактиками, которые образовались в ранней Вселенной, но по каким-то причинам не смогли набрать много звёзд. Тёмная материя у них есть, но звездообразование было подавлено — возможно, из-за ультрафиолетового излучения соседних крупных галактик или из-за слабой гравитации.
Растянутые в результате приливных взаимодействий. Когда галактика проходит близко к крупному скоплению, приливные силы могут «растянуть» её, превратив компактную карликовую галактику в диффузную, но не уничтожив полностью. При этом звёзды разлетаются на большие расстояния, а тёмная материя остаётся в исходном сгустке.
Приливные хвосты столкновений. Ультра-диффузные галактики могут быть не самостоятельными объектами, а приливными хвостами, оторванными от крупных галактик при столкновениях. Такие хвосты могут выглядеть как изолированные диффузные объекты, но на самом деле они — остатки разрушенных галактик.
«Провалившиеся» в скопление. В плотных скоплениях галактик межгалактический газ («внутрископовая среда») может выметать газ из небольших галактик, лишая их возможности формировать новые звёзды. Существующие звёзды остаются, но их яркость невысока.
Некоторые ультра-диффузные галактики имеют шаровые скопления, которые ярче, чем вся остальная галактика. Это означает, что в прошлом в этих галактиках были мощные вспышки звездообразования, которые быстро прекратились.
5. Связь с тёмной материей
Главная загадка ультра-диффузных галактик — их соотношение видимой и тёмной материи.
Dragonfly 44 и её аналоги. У этих галактик почти нет звёзд, но много тёмной материи. Это подтверждает теорию о том, что ультра-диффузные галактики — это «нормальные» галактики с точки зрения гравитации, но с подавленным звездообразованием. Они могут быть самыми богатыми тёмной материей объектами (в пересчёте на единицу светимости) во Вселенной.
NGC 1052-DF2 и её аналоги. У других таких галактик, наоборот, тёмной материи почти нет. Это ставит под сомнение стандартную модель формирования галактик, согласно которой карликовые галактики должны содержать много тёмной материи.
Возможно, ультра-диффузные галактики с тёмной материей и без неё — это два разных типа объектов, имеющих разное происхождение. Первые — это настоящие карликовые галактики, вторые — приливные хвосты.
В стандартной космологической модели тёмная материя должна доминировать в карликовых галактиках. Обнаружение ультра-диффузных галактик без тёмной материи заставило некоторых физиков предлагать альтернативные теории гравитации.
6. Почему они важны для космологии
Ультра-диффузные галактики важны по нескольким причинам.
Тест для моделей формирования галактик. Если теория предсказывает, что такие галактики должны быть богаты тёмной материей, а мы находим их с дефицитом тёмной материи, значит, теория неполна. Это естественная лаборатория для проверки моделей.
Скрытая масса во Вселенной. Если ультра-диффузные галактики широко распространены (а их могут быть миллионы в ближайших скоплениях), то они вносят вклад в общую массу скоплений. Возможно, часть «недостающей» массы в скоплениях — это не только тёмная материя, но и диффузные галактики, которые трудно обнаружить.
Эволюция скоплений. Такие галактики чувствительны к окружающей среде. Изучая их распределение в скоплениях, астрономы могут понять, как скопления влияют на входящие в них галактики — выметают газ, растягивают приливными силами, сталкивают друг с другом.
А знаете ли вы? В скоплении Волос Вероники ультра-диффузные галактики составляют до 30-50% всех галактик скопления. Если это типично, то такие объекты — один из самых распространённых типов галактик в плотных средах.
Подпишись, если понравилась статья!