Самый тусклый спутник Млечного Пути «плавает» в массивном облаке темной материи

Наша галактика Млечный Путь окружена множеством небольших скоплений звезд. Шаровые скопления — обычно яркие и компактные системы звезд. Карликовые галактики — на порядок более разреженные скопления с гораздо большим диапазоном возможных характеристик. Чтобы различать их, астрономы обращаются к физике.

Динамику шаровых скоплений можно объяснить законами Ньютона и процессами, вовлекающими только обычную материю. Звезды там удерживаются рядом друг с другом силами собственного притяжения. Карликовым галактикам для существования в рамках стандартной космологической модели нужно нечто большее — темная материя.

Если вычислять массу тусклой карликовой галактики по движению ее объектов, у вас получится значение, в разы больше, чем при расчетах по светимости, то есть через сложение масс ее звезд. Недостающая масса — вероятно, темная материя. Поэтому ученые очень заинтересованы в исследовании таких спутников Млечного Пути. По сути, это маленькие «лаборатории» для изучения свойств темной материи. И вот в 2023 году астрономы открыли самый тусклый спутник Галактики.

Система звезд Ursa Major III/UNIONS 1 (UMa3/U1) состоит примерно из 60 звезд суммарной массой от 11 до 22 солнечных масс. Все они старые, старше 11 миллиардов лет, и бедные металлами. Диаметр всего скопления — около 10 световых лет (3 ± 1 парсек).

При таких характеристиках UMa3/U1 сопоставима по размеру с шаровыми скоплениями, но в 10 раз тусклее самого тусклого из них. Более того, она в 10 раз тусклее и в пять раз меньше Драко II, самой тусклой подтвержденной карликовой галактики — спутника Млечного Пути.

Чтобы подтвердить, что UMa3/U1 — действительно карликовая галактика, авторы нового исследования прибегли к компьютерному моделированию. Предположив, что это шаровое скопление, удерживающееся собственной гравитацией, они «запустили» его вокруг Млечного Пути. Оказалось, настолько разреженное скопление выдержало бы максимум один полный оборот. Слишком уж близко к Галактике летает UMa3/U1.

Авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, рассчитали, что для удержания формы UMa3/U1 требуется гало из очень плотной темной материи массой порядка миллиарда солнечных масс, если следовать модели холодной темной материи ΛCDM. Но нужно учитывать, что это сопоставление результатов модели и реальных параметров UMa3/U1 опирается на недостаточно точные данные наблюдений (дисперсию скоростей звезд).

Ученые рассмотрели и альтернативные модели. Исходя из условий UMa3/U1, масса ультралегких частиц нечеткой темной материи (FDM) должна быть на порядок больше теоретических расчетов. Так что, если подтвердятся наблюдения за UMa3/U1, модель FDM придется пересматривать.

Плотность темной материи в центре UMa3/U1 плохо согласуется и с моделью самодействующей темной материи (SIDM). В этой гипотезе частицы темной материи должны взаимодействовать друг с другом, и теоретически, из-за столкновений, они не могут давать настолько высокую плотность, как в центре UMa3/U1.

Хотя авторы работы не рассмотрели этот вариант, отметим, что теория Николая Горькавого достаточно легко сочетается с наблюдениями в гало крупных галактик объектов с очень большой долей темной материи. Согласно ей темная материя состоит из реликтовых (доставшихся из прошлого цикла развития Вселенной) черных дыр массой в несколько солнечных. Такие объекты сосредоточены только в гало галактик, причем не равномерно, как темная материя в остальных моделях, а в формате компактных шаровых скоплений, аналогичных звездным шаровым скоплениям, но, в отличие от них, почти лишенных обычной материи. За счет этого увидеть такие скопления микролинзированием крайне сложно, но при этом они имеют достаточную массу, чтобы обеспечивать гравитационную стабильность объектов типа UMa3/U1 на протяжении значительного времени.

«Независимо от того, подтвердят или опровергнут будущие наблюдения [нашу гипотезу] о большом количестве материи в этой системе, мы очень рады предположению, что этот объект — лишь верхушка айсберга и только первый образец нового класса чрезвычайно тусклых систем звезд, которые раньше ускользали от нашего внимания», — объяснил Уилл Церны (Will Cerny), один из авторов первой работы, описывающей UMa3/U1.

Кстати, объекты вроде UMa3/U1 интересны не только с точки зрения изучения темной материи. Они настолько тусклые и бедные металлами, что в таких «химически чистых» условиях, анализируя состав ее звезд, можно очень точно измерить «урожайность» химических элементов от сверхновой первого поколения звезд после Большого взрыва.

Дарья Губина

243 статей

Автор специализируется на популяризации астрономии и астрофизики. Пишет о строении Вселенной, космологических теориях и новых открытиях, раскрывая суть явлений и идей современного научного знания.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram