Карликовые галактики сгруппировались под действием неизвестных сил

Астрофизики из Китая и США проанализировали, насколько сильно группируются в относительно плотные группы карликовые галактики. Из их когорты были исключены галактики-спутники, чтобы возмущения от их более массивных галактик-хозяев не внесли шум в результаты. Результаты оказались совершенно неожиданными, работу об этом опубликовали в журнале Nature.

Карликовые галактики из «Слоуновского цифрового обзора неба» делят на две группы: компактные, где звезды разбросаны на меньших расстояниях друг от друга, и диффузные, у которых расстояния между составляющими их светилами намного больше. Исследователи обнаружили, что рассеянные (диффузные) карликовые галактики гораздо чаще оказываются рядом друг с другом, чем компактные. Это не выглядит логичным, поскольку гравитационное взаимодействие между ними должно идти даже слабее (или как минимум не сильнее), чем среди компактных.

Когда ученые попробовали найти корреляцию между оцениваемой массой галактики и количеством темной материи в ней, а почти все галактики в основном состоят из темной материи, разбросанной вокруг нее, в так называемом темном гало, то не отыскали ее. Зато ее обнаружили между двумя другими величинами: диффузные галактики группировались тогда, когда темные гало, в которых они существовали, были древними. Более молодые гало оказались характерны для компактных карликовых галактик.

Важность этого наблюдения в том, что модели формирования галактик, основанные на стандартной космологической модели (то есть на представлениях о холодной темной материи), не могут объяснить ни одну из этих закономерностей. Если темная материя состоит из слабовзаимодействующих (только через гравитацию) с окружающей Вселенной частиц, то поведение старых и более молодых темных гало должно быть очень похожим. А галактики, находящиеся в них, не должны группироваться по-разному: сильнее для диффузных и слабее для компактных.

Астрофизики попробовали объяснить это противоречие, привлекая концепцию самовзаимодействующей темной материи. Она появилась в 2000 году и набрала популярность в последние пять лет, когда стало понятно, что модель холодной темной материи в глубоком кризисе, поскольку расходится с наблюдениями астрономов. В рамках нее частицы темной материи должны иметь какие-то еще (то есть негравитационные) типы взаимодействий между собой, как, допустим, частицы обычной материи имеют сильное и слабое или электромагнитное взаимодействие.

Если темная материя действительно такая, ее частицы в гало галактик могут обмениваться энергией, запуская сложные процессы перераспределения темной материи внутри гало. В таком случае, предположили исследователи, гало способно расширяться. От этого гравитация в его центре слабеет, что позволяет карликовым галактикам образовываться более рассеянными (диффузными). Но поскольку размер таких гало больше, им проще притягивать к себе другие карликовые галактики, которые в итоге группируются плотнее.

Напротив, в молодых гало плотность темной материи в центре выше, что делает сами галактики более компактным. Но диаметр гало (из-за его более высокой плотности) меньше, отчего притягивать другие галактики ему сложнее.

Объяснение новых данных имеет и свои узкие места. Дело в том, что многие другие астрофизические наблюдения (в частности, в скоплении галактик Пуля) уже несколько лет назад показали, что темная материя не может взаимодействовать сама с собой даже при соударениях — иначе она бы замедляла скорости столкновений галактик и их систем сильнее, чем фиксируют астрономы.

На этой основе многие ученые давно критикуют саму идею, что темная материя состоит из частиц (любых), поскольку если бы она состояла из них, замедление скоплений галактик при столкновениях было бы существенно выше.

В качестве альтернативы астрофизики стали выдвигать концепцию MACHO, по наиболее популярному варианту которой темная материя состоит из компактных шаровых скоплений черных дыр. Если это так, их скопления могут эволюционировать более сложным образом, чем в стандартной космологической модели, где темная материя распределена в гало галактик равномерно, в виде невидимых частиц. Это объяснило бы склонность карликовых галактик «группироваться» в более тесные формации.