«Светлые» и «темные» галактики указали на возможный переворот в космологии

Впервые астрономы из Йельского университета заподозрили, что с галактикой NGC 1052-DF2 что-то не так, еще в 2018 году. Тогда снимки «Хаббла» показали, что масса обычной материи — звезд и газа — совпадает с массой галактики в целом, расхождение не превышало нескольких процентов. Последнюю определяют по воздействию ее тяготения на скорость движения ее же звезд, поэтому практически всегда можно выяснить, есть ли там темная материя.

Открытие вызвало недоверие, поскольку выглядело невероятным. Поясним: по современным представлениям, галактики и звезды в них вообще не могли бы возникнуть без гало темной материи, в которое погружена, как считалась, каждая галактика Вселенной. Дело в том, что масса темной материи в разы больше, чем обычной, и именно она в основном и притягивала молекулы вещества в ту или иную галактику на этапе ее возникновения. Выходит, галактик без темной материи просто не должно быть.

Некоторые ученые предположили, что открытие основано на переоценке расстояния до NGC 1052-DF2. Если она ближе, чем кажется астрономам, оценки компонентов ее масс «плывут», «возвращая» темную материю внутрь галактики. Появилась работа, оценившая расстояние до нее всего в 42 миллиона световых лет, а не в 65 миллионов, как в исходной работе Йельского университета. Тогда она «выглядела» вполне нормальной, с разумной долей темной материи.

Совсем недавно другая группа астрономов попробовала проверить эту гипотезу и особо точно определить расстояние до NGC 1052-DF2. Для этого они использовали снимок красного сверхгиганта на окраине этой галактики, сделанный «Хабблом». Красные сверхгиганты на определенных стадиях эволюции имеют практически одинаковые светимости вне зависимости от массы. Поэтому из абсолютной светимости, наблюдаемой в земные телескопы, легко выяснить расстояние до такой звезды — и, конечно, ее галактики.

Оказалось, ошибка была — вот только не в ту сторону, что все ожидали. Расстояние до нее составило 72 миллиона световых лет, а не 65 миллионов, как считалось ранее. Значит, доля темной материи там еще ниже, чем те несколько процентов, что подозревали до сих пор. В ней как минимум в 400 раз меньше темной материи, чем должно быть, исходя из массы ее обычной материи. Интересно, что в прошлом году подобные оценки были получены для другой галактики в том же секторе — NGC 1052-DF4. Исходно они возникли в одном месте, но затем пути разошлись — и сейчас между ними 6,5 миллиона световых лет.

Возникает вопрос: как это вообще может быть? Как могут существовать галактики без того, что сделало их галактиками — темной материи?

«Светлые» и «темные» галактики: две стороны одного удара

Мы попросили физика Николая Горькавого прокомментировать эту непростую ситуацию. Как он считает, чтобы ответить на этот вопрос, стоит прежде всего задуматься, есть ли другие «аномальные» в плане темной материи галактики? Он напоминает, что известны и такие, где темной материи, напротив, намного больше, чем должно быть. Например, известная галактика Стрекоза-44 в скоплении Волос Вероники.

Это исключительное образование имеет массу в 160 миллиардов масс Солнца — на порядок больше, чем у Млечного Пути, где живем мы. Вот только светимость Стрекозы-44 в 100 раз ниже, чем у нашей Галактики — то есть обычной массы там порядка на два меньше. Выходит, она насыщеннее темной материей, чем та галактика, где находимся мы, — как минимум в сотни раз.

Как отмечает Горькавый, весьма вероятно, что разреженные галактики без темной материи — просто обратная сторона того же процесса, который создает разреженные галактики типа Dragofly 44, где темной материи, наоборот, очень много, а звезд мало.

Когда две обычные галактики, продолжает ученый, сталкиваются, обычная и темная материи в них должны вести себя по-разному. Газовые облака (обычная материя) эффективно тормозят друг друга взаимодействием молекул газа. В итоге они «слипаются» и создают примерно сферическое итоговое газовое облако, из которого потом «вырастут» звезды.

А вот два гало из темной материи обеих исходных галактик — совсем другая история. Они так слабо взаимодействуют с обычным веществом (только тяготением), что без особых помех пролетают место межгалактического столкновения и движутся дальше.

На месте удара остается «светлая» галактика типа NGC 1052-DF2 — с газом и возникающими из него звездами, но почти без темной материи. В сторону от этого района улетают «темные галактики» типа Dragofly 44. Как отмечает физик, эффект разделения темной материи и газа уже был зафиксирован ранее в скоплении Пуля, свет от которой шел до нас 3,7 миллиарда лет.

Почему это вообще важно

Дело в том, что современная космология проходит через тяжелый кризис: с одной стороны, без темной материи объяснить наблюдаемую Вселенную нельзя, а с другой — найти эту темную материю не удается. Причем не удается десятки лет подряд — ни на Большом адронном коллайдере, ни наблюдениями за космосом. Нет никакой частицы, в которую можно было бы ткнуть и сказать: вот она, частица темной материи. Более того, как мы уже писали, даже если бы она нашлась, объяснить с ее помощью все особенности поведения темной материи нельзя. Просто потому, что существующие данные о частицах и их свойствах исключают наличие таких частиц темной материи, которые могли бы объяснить ее всю. Оценки массы ТМ астрономами столь велики, что физика частиц просто не позволяет объяснить ее теми частицами, существование которых в принципе возможно — хотя бы с чисто теоретической точки зрения.

И на этом проблемы только начинаются. Темной материи, по расчетам, вчетверо больше, чем обычной, а значит, гало должны быть такими массивными, что обеспечат каждой галактике множество мелких галактик-спутников, удерживаемых гало из темной материи. Например, у Млечного Пути их должны быть сотни. На практике таковых всего несколько десятков. Аналогичная картина — в других местах. Куда делись галактики-спутники? Вдобавок в целом ряде случаев они и вращаются в одной плоскости, почти как спутники планет. Но гало темной материи, по расчетам, неизбежно должно быть шарообразным: следовательно, его тяготение должно удерживать галактики-спутники разбросанными в сфере, окружающей центральную галактику. Разбросанные в сфере, но на деле они собраны в диски. Почему так?

Другая сложность: скопление галактик Пуля. Скопления газа в местных галактиках светятся в рентгеновском диапазоне так ярко, что это означает их столкновения на огромной скорости, от 3000 до 4500 километров в секунду. Однако, если темная материя состоит из частиц, они должны взаимодействовать друг с другом, создавать своего рода трение, замедляющее подобное столкновение. Такие огромные скорости столкновений, как в скоплении Пуля, крайне маловероятны, если темная материя состоит из частиц.

Это не просто кризис, а жесточайший. В последние годы его все чаще признают в научном сообщества. Известный физик Сабина Хоссенфельдер не так давно выступила с заявлением, что нужно менять всю теорию вокруг темной материи. По ее мнению, настало время заимствовать идеи у теорий так называемой модифицированной гравитации. По сути, это означает, что она предлагает отказаться как минимум от части темной материи, а то и от всей. О чем речь?

Темная материя легко обнаруживается почти во всех галактиках, поскольку скорость вращения звезд во внешних частях галактик при измерениях астрономами оказывается слишком велика. В рамках классической физики такое может быть, только если их «раскручивает» тяготение чего-то, находящегося на краю галактики. Иными словами, темной материи.

Однако еще в 1983 году Мордехай Милгром предложил альтернативное объяснение: никакой темной материи нет, а есть ранее неизвестное изменение законов гравитации. По его гипотезе, ньютоновская гравитация работает «как положено» только для больших ускорений. Поэтому, например, в Солнечной системе дальние от светила планеты двигаются без лишней «раскрутки». А вот на окраинах галактик ускорения малые, поэтому там гравитация модифицируется так, что звезды из внешних областей дополнительно «раскручивает».

Эта теория долго не привлекала большинство физиков, так как у нее есть очевидные проблемы. Если мы видим что-то необъяснимое, у науки есть два выхода: найти это что-то необъяснимое или подправить уравнения в теориях так, чтобы можно было не искать это необъяснимое. Подправить уравнения произвольным образом, без теоретического объяснения того, зачем их надо подправить именно так. Именно этот путь предложили авторы «модифицированной ньютоновской динамики», известной как MOND. Это путь, называя вещи своими именами, на котором можно объяснить слишком многое — достаточно просто произвольно править уравнения в сторону, нужную для объяснения наблюдений.

Сабина Хоссенфельдер никогда не обратилась к подобной теории, если бы у нее был выход. Однако теперь многим ученым кажется, что иного варианта просто нет: некими неведомыми частицами темную материю уже невозможно объяснить.

Как «светлые галактики» ударили по модифицированной ньютоновской динамике

Вернемся к NGC 1052-DF2. Исключительное значение открытия этой галактики — и нынешнего подтверждения большой дистанции до нее — в том, что она закрывает путь, на который недавно указывала Хоссенельдер и на который сторонники MOND многие годы возлагали надежды.

В самом деле: если на малых ускорениях гравитация вдруг изменяется, работает по другим уравнениям, чем в Солнечной системе, то почему она вдруг не захотела изменяться в NGC 1052-DF2? Ее звезды двигаются точно так же, как планеты вокруг Солнца — без «раскрутки» во внешних областях диска.

Если гравитация действительно изменяется для внешних областей галактик, она должна делать это одинаково во всех галактиках. Но в «светлых» она не изменяется вообще, а в «темных» — в сотню раз сильнее, чем в Млечном Пути.

Фактически весь спектр MOND-теорий уничтожен самим открытием «светлых» галактик. Темная материя явно существует: если ее мало в «светлых» и много в «темных», то и NGC 1052-DF2, и Стрекоза-44 никаких законов не нарушают. Просто кому-то при столкновении их родительских галактик достался газ, а кому-то — темная материя.

Что же делать бедным физикам?

Хорошо, темная материя существует, но не состоит из загадочных частиц. Вот только что же она тогда такое?

Ранее мы отмечали, что в последние годы на этот счет появилась довольно убедительная теория — на сегодня это уже именно теория. Согласно ей темная материя в самом деле темная, но… вполне обычная. Это самые обычные черные дыры, проносящиеся в пустоте на окраинах галактик, за краем их звездных дисков. Только эти черные дыры образуют компактные шаровые скопления — как шаровые образуют обычные звезды на окраинах галактик. Здесь мы чуть подробнее поясняли, почему из-за этого наша Вселенная сможет не погибнуть, как ожидали ученые ранее, а лишь перейти к новому циклу развития.

Подобное объяснение решает целый ряд проблем темной материи, описанных выше. У галактик меньше галактик-спутников, чем должно быть, и они часто вращаются примерно в одной плоскости? Неудивительно: гравитационное воздействие плотных шаровых скоплений черных дыр будет куда менее «размазанным», чем такое же воздействие равномерно распределенных частиц темной материи. Если последние не существуют, но есть первые, то и их влияние на галактики-спутники окажется принципиально иным.

Скопление галактик Пуля показывает слишком высокую скорость столкновения облаков газа, хотя частицы темной материи должны создавать большое тормозящее трение? И тут нельзя удивляться, если исходить из того, что темная материя суть шаровые скопления черных дыр. Это не «размазанные» равномерно частицы темной материи: скопления черных дыр весьма компактны, а значит, не должны создавать тормозящих столкновений.

Кстати, именно из-за расположения черных дыр в компактных скоплениях их ранее не удавалось выявить с помощью телескопов. Те могут заметить черную дыру по событиям гравитационного линзирования, когда ее гравитация искажает свет от галактики, находящейся дальше наблюдаемой черной дыры. Вот только из-за «скученности» черных дыр в шаровых скоплениях вероятность такого гравилинзирования ничтожно низка, что и не давало его заметить ранее.

К счастью, после появления «гравитационного телескопа» проекта LIGO все изменилось. Теперь земные ученые регистрируют гравиволны от слияния черных дыр в таких шаровых скоплениях. И это хорошая новость: темную материю, наконец, открыли. Просто еще не все научное сообщество об этом знает.

Такое в истории науки, впрочем, не впервые: от предсказания реликтового излучения Гамовым и его открытия советскими наблюдениями до осознания связи между этими вещами прошли годы (и потребовалось переоткрытие самого излучения). Похоже, история повторяется: наблюдения и их теоретическое объяснение у физики есть, а вот широкое осознание факта их появления наступит на несколько лет позже.