Исследования и расчеты показывают, что по распределению плотности звезд и темной материи галактики похожи друг на друга. Проблема в том, что они слишком похожи — настолько, что ученые придумали «теорию заговора балджа и гало». Разнообразие структур среди разных галактик с разным красным смещением настолько минимально, будто барионное вещество и темная материя как-то «договариваются» о распределении. Наконец, астрономам удалось это опровергнуть.
Снимок массивного скопления галактик ZwCl0024+1652 с наложенной «дымкой» распределения темной материи. Снимок сделан космическим телескопом «Хаббл» в ноябре 2004 года. Карта темной материи была построена по тому, как это скопление искривляет свет далеких галактик (гравитационное линзирование) / © NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)
Темная материя стала незаменимым «ингредиентом» галактик с того момента, как ученые поняли, что вращение внешних областей невозможно объяснить лишь влиянием массы всех звезд. Так появились новые вопросы. Как темная материя влияет на распределение массы в галактиках? На каком расстоянии она становится доминирующей? Как взаимодействует со звездами?
В стремлении разобраться в «отношениях» темной материи с барионным, то есть обычным, веществом звезд астрономы обнаружили, что в разных галактиках с разными характеристиками плотность материи от центра к краям падает с одной и той же «скоростью».
Теоретически разнообразие в распределениях звезд и темной материи должно было давать большее разнообразие в этих «скоростях», а не делать их одинаковыми. Так возникла «теория заговора балджа и гало» галактик, подчеркивающая аномальные сходства в распределении плотности массы в галактиках. С точки зрения физики объяснить аномалию не удавалось.
«Эта однородность означала, что темная материя и звезды как-то компенсируют друг друга, создавая настолько похожие в плане массы структуры», — объяснила Каро Деркен (Caro Derkenne) из Университета Маккуори (Австралия), главный автор нового исследования.
Международная группа ученых предположила, что причина такой однородности кроется не в структуре галактик, а в компьютерных моделях, предположениях о зависимостях величин и упрощенных расчетах.
В рамках новой работы исследователи построили модели 22 массивных галактик. Объекты распололжены в нескольких миллиардах световых лет от Млечного Пути (красное смещение — около 0,3). На таком расстоянии они уже отличаются от современных галактик, но все еще достаточно крупны, чтобы можно было разглядеть их структуру.
В основном в подборку попали линзовидные галактики, лишь у четырех объектов были признаки наличия спиральных рукавов. Данные наблюдений ученые брали из обзора MAGPI, который фокусируется на массивных галактиках из «средневекового» периода Вселенной.
Впервые для галактик на столь значительном расстоянии астрономы применили динамичные орбитальные модели Шварцшильда. С их помощью авторы нового исследования «увидели» общую трехмерную форму объектов, внутреннее строение галактик, их орбитальную структуру и «содержание» темной материи.
Так удалось напрямую, а не через предположения и примерные расчеты изучить распределение звезд и темной материи. Результаты работы опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Оказалось, при точном моделировании пропадает «однородность» распределения масс в галактиках. Внутренняя структура отличается не только у разных галактик, но варьируется даже в пределах одной галактики. Поэтому нет никакого «заговора» между звездами и темной материей.
«В прошлом мы строили простые модели, используя слишком много упрощений и предположений. Галактики сложны. Моделируя их, мы должны допускать больше свободы, или же будем измерять неверные параметры. Наши модели мы запускали на суперкомпьютере OzStar в Технологическом университете Суинберна (Австралия), используя эквивалент восьми тысяч часов работы обычного стационарного компьютера», — объяснила Деркен.
По словам авторов исследования, в данных обзора MAGPI есть еще десятки объектов, качество данных по которым позволяет провести аналогичное моделирование. Развитие наземных и космических телескопов — в частности, «Джеймса Уэбба» и E-ELT — поможет собрать подходящие для такого моделирования данные и по более далеким галактикам.
