Наблюдения «Гайи» поставили под сомнение наличие темной материи в нашей Галактике
Некогда ученые открыли темную материю, заметив, что звезды во внешней части Млечного Пути вращаются быстрее, чем должны, — из-за тяготения темной материи, окружающей видимую часть диска нашей Галактики. Новые данные показывают нечто странное: прежние наблюдения были ошибкой, а если верить новым, Млечный Путь — исключение, где темной материи якобы почти нет.
Около сорока лет назад астрономы построили так называемую кривую вращения звезд в галактике. По одной оси в ней была скорость вращения звезд вокруг центра нашей Галактики. По другой — расстояние от этого самого центра. В норме чем дальше объект от центра своей системы, тем медленнее он вращается. Например, так с планетами Солнечной системы. Напротив, на кривой вращения падения скорости вращения звезд вокруг центра Галактики почти не было. Это стало одной из ключевых опор концепции темной материи, которой во Вселенной в несколько раз больше обычной. Сходные «плоские» кривые вращения позже составили и для других галактик.
Однако строить кривую вращения в собственной Галактике, как ни странно, сложнее, чем в других. Дело в том, что значительная ее часть скрыта от нас за ядром Млечного Пути, а для наблюдений множества других галактик такой сложности нет. В 2020-х эта проблема, казалось, пошла на убыль: космический телескоп «Гайя» дал беспрецедентно точные данные по скорости движения сразу многих звезд.
Как отметили авторы работы, опубликованной на сервере препринтов Arxiv.org, вместо прояснения ситуации эти цифры ее скорее запутали. Оказалось, что при удалении от центра нашей Галактики на 49 тысяч световых лет (близко к краю ее видимого диска) скорость вращения звезд вокруг центра Млечного Пути все-таки убывает, и убывает довольно резко — почти как в Солнечной системе. Причем статистическая значимость этих наблюдений в районе трех сигм. То есть вероятность того, что это не случайное отклонение от нормального распределения 99,7 процента. Это еще не железное физическое открытие с вероятностью пять сигм, но, в то же время, очень существенная величина. Исходя из этого, масса Галактики в три-пять раз меньше, чем считалось, причем за счет темной материи.
Ученые констатировали, что если все так, то стандартная космологическая модель очень плохо совместима с наблюдаемым. Кстати, альтернативная ей теория модифицированной ньютоновской динамики (MOND) тоже оказывается под ударом. Если в стандартной космологии можно задуматься над тем, почему у одной галактики темной материи почти нет (такие системы хотя бы в принципе известны), то у MOND сама гравитация на больших дистанциях работает иначе. А значит, галактик с неплоской кривой вращения вообще не должно быть.
Получается, что Млечный Путь — галактика-исключение в обеих космологических системах большой популярности, как в основной, так и в альтернативной. В чем причина? Основных объяснений может быть два. Первое: мы живем в галактике-исключении типа NGC 1052-DF2 или NGC 1052-DF4. То есть таких, где темной материи почему-либо или нет, или настолько мало, что нынешняя точность наблюдений не позволяет ее найти.
На первый взгляд, галактика без темной материи звучит как оксюморон. Ведь по современным представлениям само образование галактик известных типов — результат наличия в них темной материи. Поскольку ее много больше по массе, чем обычной, она «пылесосила» раннюю Вселенную на предмет газа (а позже и пыли), создавая и концентрацию обычной материи, из которой затем и возникали звезды. И все же в теории такое может быть. Если в результате столкновений часть массы галактики когда-то была «похищена» более массивной (или газ затормозился и поэтому приобрел скорость резко отличающуюся от темной материи), то возможны сценарии, когда видимая материя осталась, а остальная — нет.
Правда, в этом случае неочевидно, что галактика сохранит долгосрочную стабильность. Представим себе, что из Солнечной системы вдруг исчезло бы Солнце: планеты и астероиды почти немедленно разлетятся в стороны, как пущенные из пращи. И хотя темной материи в массе галактики в процентах несопоставимо меньше, чем массы Солнца в его системе, и галактики в таком сценарии могут ждать неприятности. Многие звезды могут просто вылететь из нее. В Млечном Пути, однако, подобной ситуации не видно: доля вылетающих из него звезд невелика. Это и ряд других факторов делает первое объяснение маловероятным.
Есть и второе объяснение, причем более вероятное. Дело в том, что несмотря на три сигмы вероятности, наблюдения «Гайя» — все еще не приговор. Авторы работы отметили, что предшествующие работы хотя и основываются на одних и тех же наблюдениях «Гайя», но кривую вращения рисуют с разными скоростями, и расхождения достигают 5-10 километров в секунду. Причина в том, что у таких наблюдений немало возможных источников систематических ошибок. Чтобы учесть их, применяются довольно сложные расчеты, которые разные группы делают несколько по-разному. Результаты, соответственно, тоже разные.
Источники таких ошибок многочисленны, но особенно интересен среди них один, который разбирают авторы. Дело в том, что внешние области диска нашей Галактики далеко не идеально правильные. Звезд в них на единицу объема меньше, толщина диска с удалением от ядра растет (хотя концентрация звезд и падает), а наблюдаемая популяция светил резко «обрезается» по внешнему краю. Чем меньше статистика по той или иной области, тем выше возможность ошибок в ней. В этих условиях «обрезание» диска может создать артефакт в расчетах: крутой спад кривой вращения даже при условии, что истинные скорости звезд показывают плоскую кривую вращения.
Исследователи отмечают, что спад кривой вращения по новым данным «Гайя» составляет порядка 30 километров в секунду. А возможный размах ошибок наблюдений — от 10 до 40 километров в секунду, хотя значения ближе к 40 и существенно менее реалистичны, чем те, что ближе к 10. В таких условиях сложно исключать, что закрывать темную материю в Млечном Пути пока рано.
Telegram 
Дзен 
VK 
