Ученые нашли доказательство существования темной материи

Измеряя скорость звезд по всей галактике Млечный Путь, физики Массачусетского технологического института обнаружили, что звезды, расположенные дальше по галактическому диску, движутся медленнее, чем ожидалось, по сравнению со звездами, которые находятся ближе к центру галактики. Результаты открывают удивительные вещи - гравитационное ядро Млечного Пути может быть легче по массе и содержать меньше темной материи, чем считалось ранее.

                                                                     Изображение: @MIT

Новые результаты основаны на анализе данных, полученных с помощью инструментов Gaia и APOGEE. Gaia - это орбитальный космический телескоп, который отслеживает точное местоположение, расстояние и движение более 1 миллиарда звезд во всей галактике, а APOGEE — это инструмент наземного исследования. Физики проанализировали измерения Гайи более чем 33 000 звезд, включая некоторые из самых дальних звезд в галактике, и определили «круговую скорость» каждой звезды, или насколько быстро звезда вращается в галактическом диске, учитывая расстояние звезды от центра галактики.

Далее исследователи построили график скорости каждой звезды в зависимости от ее расстояния, чтобы создать кривую вращения — стандартный график в астрономии, показывающий, насколько быстро вращается материя на заданном расстоянии от центра галактики. Форма этой кривой может дать ученым представление о том, сколько видимой и темной материи распределено по галактике.

«Что нас действительно удивило, так это то, что эта кривая оставалась плоской и ровной на определенном расстоянии, а затем начала снижаться», - говорит Лина Несиб (Lina Necib), доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Это означает, что внешние звезды вращаются немного медленнее, чем ожидалось, что является очень неожиданным результатом».

                      Изображение: @M, Восходящая звезда астрономии Лина Несиб (Lina Necib)

Команда перевела новую кривую вращения в распределение темной материи, которое могло бы объяснить замедление внешних звезд, и обнаружила, что полученная карта дает более легкое ядро галактики, чем ожидалось. То есть центр Млечного Пути может быть менее плотным и содержать меньше темной материи, чем ранее считали ученые. «Данный факт ставит результат в противоречие с другими измерениями», - говорит Несиб. 

Команда сообщила о своих результатах недавно в журнале «Ежемесячных уведомлений Королевского общества». Соавторами исследования, включая Несиб, являются первый автор Сяовэй Оу, Анна-Кристина Эйлерс и Анна Фребель.

«В небытии»

Как и большинство галактик во Вселенной, Млечный Путь вращается, как вода в водовороте, и его вращение частично обусловлено всей материей, которая циркулирует внутри его диска. В 1970-х годах астроном Вера Рубин (Vera Rubin) первой заметила, что галактики вращаются способами, которые не могут быть обусловлены исключительно видимой материей. Она и ее коллеги измерили круговую скорость звезд и обнаружили, что полученные кривые вращения оказались на удивление плоскими. То есть скорость звезд оставалась одинаковой по всей галактике, а не уменьшалась с расстоянием. Они пришли к выводу, что на далекие звезды должен воздействовать какой-то другой тип невидимой материи.

Работа Рубина по кривым вращения стала одним из первых убедительных доказательств существования темной материи — невидимой, неизвестной сущности, которая, по оценкам, перевешивает все звезды и другую видимую материю во Вселенной.

С тех пор астрономы наблюдали подобные плоские кривые в далеких галактиках, что еще раз подтверждает наличие темной материи. Лишь недавно астрономы попытались нанести на карту кривую вращения нашей галактики.

В 2019 году Анна-Кристина Эйлерс (Anna-Christina Eilers), доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, работала над составлением диаграммы кривой вращения Млечного Пути, используя более раннюю порцию данных, опубликованную спутником Gaia. Этот выпуск данных включал звезды, находящиеся на расстоянии 25 килопарсеков, или около 81 000 световых лет, от центра галактики.

Основываясь на этих данных, Эйлерс заметила, что кривая вращения Млечного Пути выглядит плоской, хотя и с небольшим снижением, как и у других далеких галактик, и, как следствие, галактика, вероятно, имеет высокую плотность темной материи в своем ядре. Но теперь эта точка зрения изменилась, поскольку телескоп опубликовал новую порцию данных, на этот раз включающую звезды, находящиеся на расстоянии до 30 килопарсеков (внесистемная единица измерения расстояний в астрономии) — почти в 100 000 световых лет от ядра галактики.

«На таких расстояниях мы находимся прямо на краю галактики - там, где звезды начинают гаснуть», — говорит Анна Фребель. «Никто пока не исследовал, как материя движется во внешних областях галактики, в которой мы, по сути, находимся в небытии».

                                                                    Изображение: @wikipedia

Фребель, Несиб, Оу и Эйлерс ухватились за новые данные инструмента Gaia, стремясь расширить первоначальную кривую вращения. Чтобы уточнить свой анализ, команда дополнила данные Gaia измерениями APOGEE — эксперимента по галактической эволюции обсерватории Apache Point, который измеряет чрезвычайно подробные свойства более чем 700 000 звезд Млечного Пути, такие как их яркость, температура и состав. «Мы загружаем всю эту информацию в алгоритм, чтобы попытаться изучить связи, которые затем смогут дать нам более точную оценку расстояния до звезды», - объясняет Оу. 

Команда установила точные расстояния для более чем 33 000 звезд и использовала эти измерения для создания трехмерной карты звезд, разбросанных по Млечному Пути с точностью до 30 килопарсек. Затем они включили эту карту в модель круговой скорости, чтобы смоделировать, насколько быстро должна двигаться любая звезда, учитывая распределение всех остальных звезд в галактике. Далее они нанесли на карту скорость и расстояние каждой звезды, чтобы получить обновленную кривую вращения Млечного Пути. 

«Вот тут-то и возникает странность», — говорит Несиб. Вместо небольшого снижения, как на предыдущих кривых вращения, команда заметила, что новая кривая на внешнем конце опустилась сильнее, чем ожидалось. Этот неожиданный спад предполагает, что, хотя звезды могут двигаться с одинаковой скоростью на определенное расстояние, они внезапно замедляются на самых дальних расстояниях и оказывается движутся медленнее, чем ожидалось.

«Этот результат противоречит другим измерениям, а понимание этого результата будет иметь глубокие последствия и может привести к пересмотру состояния равновесия нашей галактики», — сказала Несиб.