Наша Галактика оказалась экстраординарно бедной

Примерно полвека назад астрономы обнаружили, что внешние части галактических дисков вне Млечного Пути вращаются значительно быстрее, чем должны бы. Скажем, в Солнечной системе планеты, близкие к Солнцу, вращаются быстро, а более далекие — медленно, и это кажется логичным следствием ослабевания действующего на них притяжения светила. А вот в иных галактиках внешние области вращаются без убывания скоростей вращения — как будто их раскручивает какая-то огромная, но невидимая масса (темная материя).

Это наблюдение совершило революцию в космологии и в итоге в физике (мы подробно писали об этом ранее). Но оценить, как обстоят дела со скоростями вращения в других галактиках, оказалось намного проще, чем сделать это «у себя дома».

Наблюдать за крупным объектом, находясь внутри него, сложно: например, с нашего места в Галактике видеть другие ее части мешают не только пыль и газ, но и центральная ее часть (что находится за ней — прямыми наблюдениями проверить очень сложно). Революцию в вопросе произвел лишь космический телескоп «Гайя», запущенный 10 лет назад и работающий в точке Лагранжа, в полутора миллионов километров от Земли. Он может наблюдать более миллиарда звезд — рекордный показатель в истории астрономии. Однако обработка такого объема данных занимает массу времени и очень сложна.

Поэтому только сейчас в журнале Astronomy and Astrophysics вышла статья, суммирующая данные «Гайи» о скоростях вращения звезд в диске Млечного Пути. Она во многом опирается на результаты наблюдений и работы, вышедшие по этой теме ранее. Авторы новой статьи составили кривые, показывающие скорости вращения звезд в различных частях нашей галактики. Поскольку эти скорости определяются действующей на эти звезды гравитацией, именно по ним можно узнать реальную массу Млечного Пути, которая до этого оставалась объектом ожесточенных дискуссий.

Работа принесла два больших сюрприза. Во-первых, оказалось, что Млечный Путь не показывает ускоренного вращения краев галактического диска, как почти все сколько-нибудь хорошо изученные спиральные галактики, кроме нашей. На расстоянии от 63 до 86 тысяч световых лет от центра Млечного Пути скорость вращения его звезд вокруг галактического центра падает в среднем на 30 километров в секунду. Это не так мало: например, Солнце вращается вокруг ядра Галактики со скоростью 230 километров в секунду. Фактически убывание скоростей вращения звезд в нашей Галактике выглядит как «кеплеровское замедление», сходное с тем, что видно для внешних планет Солнечной системы. И не наблюдаемое пока в других галактиках Вселенной, похожих на нашу.

Это не значит, что темной материи у нас нет: по расчетам авторов новой работы, ее здесь втрое больше, чем обычной. Проблема в том, что для других спиральных галактик это соотношение — шесть к одному, то есть вдвое больше.

Второй большой сюрприз: масса Млечного Пути оказалась равна примерно 200 миллиардам масс Солнца. Это примерно в пять раз меньше прошлых общепринятых оценок (триллион солнечных масс) и заметно меньше, чем у других спиральных галактик тех же размеров, что наша, наблюдаемых астрономами. Из этого следует, что оценки масс галактик — спутников Млечного Пути (например, Большого Магелланова облака) нужно пересматривать «вниз», причем довольно сильно.

Авторы исследования отметили, что, согласно их результатам, Млечный Путь оказывается экстраординарно редкой и экстраординарной бедной материей Галактикой. Причины этого пока не ясны.

Среди возможных объяснений ученые приводят то, что после 8-10 миллиардов лет назад наша Галактика практически не испытывала крупных слияний и поглощений (то есть не присоединяла к себе другие галактики). В то же время большинство других наблюдаемых спиральных галактик испытывали крупные слияния не позднее шести миллиардов лет назад. Возможно, что и малое число поздних слияний и малое количестве темной материи у нас как-то связано с тем, что строение рукавов в нашей галактике несколько отличается от большинства наблюдаемых спиральнрых.

Другое объяснение: «Гайя» использует иные методы для учета скоростей движения галактик. Если с ней что-то не так, то новые результаты по массе и скоростям в Млечном Пути тоже некорректны. В каком-то смысле такой вариант не менее потрясающий, чем первый, поскольку на точности цифр «Гайя» основывается немало выводов астрономов за последние годы.

Отдельно отметим, что если цифры «Гайи» все же корректны, то гипотеза модифицированной ньютоновской динамики (МОНД) неверна. Модифицированная ньютоновская динамика — это теория, предполагающая, что гравитация имеет разную силу для разных расстояний. То есть это объяснение, полностью альтернативное современной физической картине мира, основанной на теории относительности, несовместимой с таким подходом.

МОНД долгие годы пользовалась определенной популярностью, поскольку позволяет и объяснить слишком быстрое вращение дисков других галактик, и не искать темную материю, которая объясняла бы такое вращение. Но, если в нашей Галактике никакого быстрого вращения периферических частей галактического диска нет, а есть кеплеровское замедление его звезд, то МОНД, очевидно, неверна: гравитация не может ослабевать с расстоянием везде, кроме Млечного Пути.

Зато другие подходы — конкретнее, темная материя — с новой работой получили серьезное подтверждение. Количество темной материи в разных галактиках может различаться в рамках самых разных гипотез о ее природе. Теперь осталось лишь выяснить, какая именно из них верна: та, что опирается на данные гравитационного телескопа LIGO, или какие-то иные.