Загадка недавно открытой тёмной галактики. Какой самый большой космический объект? Сверхскопление галактик. Галактика Андромеды. Черные дыры

Тёмная галактика - гипотетический объект галактических размеров, который содержит очень мало или вовсе не содержит звёзд (отсюда и «тёмная»), удерживаемых вместе тёмной материей . Она может также содержать газ и пыль . Хотя есть некоторые потенциальные кандидаты, существование тёмных галактик на сегодняшний день не подтверждено.

Кандидаты

HE0450-2958

HE0450-2958 является необычным квазаром , вокруг которого не обнаружена галактика . Предполагается, что это может быть тёмной галактикой, в которой квазар стал активным. Однако последующие наблюдения показали, что нормальная галактика, вероятно, присутствует.

VIRGOHI21

Об открытии VIRGOHI21 было объявлено в феврале 2005 года, и этот объект стал первым хорошим кандидатом для настоящей тёмной галактики. Она была обнаружена после исследования радиоизлучения водорода (HI) на длине волны 21 см. Её динамика, по-видимому, несовместима с предсказаниями теории МОНД . Некоторые исследователи с тех пор считают возможным, что VIRGOHI21 является тёмной галактикой, и что она представляет собой «приливной хвост » ближайшей галактики М 99 , которая переживает гравитационные возмущения, поскольку входит в скопление Девы .

Dragonfly 44

Dragonfly 44 была открыта в 2015 году. Она обладает малой яркостью (излучает 1% от того количества света, которое излучает Млечный Путь) и крайне низкой плотностью: с диаметром около 60 000 световых лет , она содержит менее миллиарда звёзд. В исследовании, опубликованном в конце августа 2016 года, учёные рассчитали массу Dragonfly 44, изучая скорость движений звёзд и их скоплений в галактике. Масса оказалась равной одному триллиону масс Солнца , что близко к массе Млечного Пути, однако от этого числа на звёзды и газ приходится только 0,01%. Таким образом, астрономы заключили, что галактика почти полностью состоит из тёмной материи.

Неожиданное обнаружение массивной, размером с Млечный путь системы, состоящей по большей части из тёмной материи, меняет теории о формировании галактик

Среди более чем тысячи галактик в кластере Кома — массивном скоплении материи на расстоянии примерно в 300 миллионов световых лет — существует как минимум одна галактика, которой не должно быть.

Dragonfly 44 — тусклая галактика, с примерно одной звездой на каждую сотню нашего Млечного пути. Но она занимает примерно столько же места, сколько и Млечный путь. Кроме того, согласно данным , опубликованным в журнале Astrophysical Journal Letters в конце августа, Dragonfly сравним по массе с нашей галактикой. Эта странное сочетание: она такая тёмная, широкая, массивная, и некоторые астрономы считают, что она заставит нас пересмотреть наши теории формирования галактик или помогут нам понять свойства тёмной материи, таинственного материала который взаимодействует с обычной материей с помощью гравитации.

Открытие произошло почти случайно. Астрономы Питер ван Доккум из Йельского университета и Роберто Абрахам из Университета Торонто проверяли теорию о том как формируются галактики, занимаясь поиском структур, которые невидимы даже в сложные телескопы: слабых, тонких и протяжённых объектов на звёздном небе. Их команда создала Dragonfly Telephoto Array , группу модифицированных линз Canon, которая фокусирует свет на сенсорах коммерческих камер. Эта система была настроена на отсечение любого рассеянного света внутри звёздного скопления, который мог бы скрывать тусклый объект.

Вы несколько месяцев на борту корабля и внезапно кто-то кричит: Земля! А этой земли нет на карте.

План заключался в изучении слабых полос света соседних галактик. Но знаменитый кластер Кома — скопление гигантских структур, которое когда-то давно вдохновило астронома Фритца Цвикки представить гипотезу о существовании тёмной материи — привлекал внимание исследователей. «Вообще, мы просто не смогли устоять перед тем, чтобы не взглянуть на Кома» — говорит Абрахам — «вы можете считать, что это открытие стало следствием отсутствия дисциплины». Они планировали изучить внитрикластерный свет Комы — слабое свечение, обнаруживаемой между галактиками внутри скопления.

Вместо этого они обнаружили 47 постоянных слабых пятен , каждое диаметром с Млечный путь. Тем не менее, в соответствии с общепринятыми моделями формирования галактик, всё настолько большое не должно быть таким тусклым.

В теоретических моделях сгустки тёмной материи заполняют вселенную вместе со светом. Сначала облака тёмной материи сливаются в относительно плотные структуры. Затем газ и фрагменты других галактик сжимаются в центре под воздействием гравитации. Они растягиваются в диск и превращаются в светящиеся звёзды — то, что мы в конце-концов видим в телескопы. Весь этот процесс достаточно предсказуем для больших галактик, таких как наш Млечный путь. Имея данные по ореолу тёмной материи или по количеству звёзд вы можете установить другой фактор с точностью кратной двум.

Тёмная галактика Dragonfly 44. Шкала соответствует расстоянию 10 килопарсек или примерно 33000 световым годам (Pieter van Dokkum, Roberto Abraham, Gemini Observatory / AURA)

«Это не просто догма. Из этого правила нет известных нам исключений» — говорит Джереми Острайкер, астрофизик Колумбийского университета.

После того как Абрахам и ван Доккум поняли, что судя по всему наблюдают 47 исключений, они начали поиск в литературе. Они обнаружили, что похожие нечёткие сгустки были на грани открытия с 70х годов 20 века. Ван Доккум считает что переход астрономии с фотографических пластинок – которые, возможно, подходят лучше для фиксации расширенных, размытых объектов — к современными цифровым сенсорам, возможно, скрыл их от дальнейшего изучения.

Абрахам и ван Доккум впервые заметили эти пятна весной 2014го. С тех пор похожие «ультра-диффузные галактики» (ultra-diffuse galaxies — UDG) были обнаружены в других галактических скоплениях, таких как кластеры Девы и Форнакса. И в кластере Кома, согласно данным одного исследования , их может быть более тысячи, в том числе 332 почти таких же больших как и Млечный путь.

В то же время команда Dragonfly работает над версией, что эти тусклые галактики — исключения, противоречащие существующей теории, несостоявшиеся галактики. Тёмная материя создаёт зачатки спирального диска и звёзд, но почему-то светящаяся структура в них не развивается.

Эта версия нравится экспертам вроде Острайкера, который считает предыдущие записи ван Доккума заслуживающими большого доверия. «Есть множество других людей, которые могли бы открыть это, если бы были более скептически настроенными» — сказал Острайкер — «самый простой способ объяснить данную загадку – признать правильность подобной версии».

Однако не все с этой версией согласны. Хотя UDG могут быть большими, они необязательно массивны. Одна из идей заключается в том, что эти UDG могут быть легковесными галактиками, которые выглядят распухшими потому что находятся в процессе гравитационных приливов и отливов кластера Кома.

Томат Галактика F1 выведен американскими селекционерами в 2012 году. Редкий сорт томата, а также необычность плодов, выделяют его из общего ряда помидоров. Имеет насыщенный вкус и необычайную урожайность.

Куст среднерослый, детерминантный и относится к редким сортам томатов. Растение рекомендовано к выращиванию в открытом грунте, но бывают случаи выращивания томатов Темная галактика ф1 и в теплице. Куст требует формирования и пасынкования. Также, из-за тонкого стебля, рекомендуется подвязывать помидоры к опоре.

Соцветия простые и на одной кисти формируются около 7 томатов. Лист темно-зеленый среднего размера. Культура имеет очень хорошую урожайность. Томат по срокам созревания является средним. Созревшие помидоры получают на 110 день.

Описание плодов

Плоды у сорта Темная галактика небольшие, имеют средний вес 70-100 грамм. Самой необычной является расцветка плодов, благодаря чему культура и получила такое загадочное название. В стадии зрелости, помидоры имеют кирпичный цвет, а вверху можно рассмотреть фиолетовые плечики.

Если посмотреть на плод издалека, то можно представить мини-галактику.

В разрезе помидор имеет ярко-красный цвет. Имеет насыщенный сладковатый вкус. Плоды характеризуются универсальностью и используются как в свежем виде, так и консервированном. Помидоры данного сорта используют в коммерческих целях, из-за их неповторимого вида, хорошей лежкости и транспортабельности.

Плод обладает лечебными свойствами и полезен для аллергиков и диабетиков, которые не употребляют красные помидоры. Помидор содержит большое количество бета-каротина и ликопина.

Как производится посев и уход

Семена высаживаются в конце марта. Перед высевом их обрабатывают слабым раствором марганца, для того, чтобы их не повредил грибок или другие вредители. Сажать семена необходимо не глубоко в хорошо удобренную землю. В качестве удобрения подойдет перегной или торф. После того, как семена проклюнутся и появятся первые взрослые листья, необходимо заняться пикировкой, для того, чтобы растение окрепло.

На 65 день саженец считается взрослым и его можно высаживать в открытый грунт. Прежде чем заняться высадкой, лучше закалить растения.

Это делается путем выноса саженцев на пару часов на свежий воздух. Растение является не сильно большим и высоким, поэтому на квадратный метр высаживается 5-6 растений. Перед высадкой растения, землю необходимо обработать раствором марганца. Для того, чтобы предотвратить возможные болезни.

Уход простой и состоит в регулярном поливе, рыхлении почвы и периодической подкормки растения.

Далёкие предки современных жителей планеты Земля верили, что именно она является самым огромным в мироздании объектом, а небольшие по размерам Солнце и Луна день за днём крутятся вокруг неё по небосклону. Самыми маленькими образованиями в космосе им казались звёзды, которые сравнивались с крошечными светящимися точками, прикреплёнными к небесной тверди. Прошли века, и взгляды человека на строение Вселенной изменились кардинальным образом. Так что ответят теперь современные учёные на вопрос, какой самый большой космический объект?

Возраст и строение Вселенной

Согласно последним данным науки, наша Вселенная существует около 14 миллиардов лет, именно этим периодом исчисляется её возраст. Начав своё существование в точке космической сингулярности, где плотность материи была невероятно велика, она, постоянно расширяясь, достигла теперешнего состояния. На сегодняшний день считается, что Вселенная строится из обычного и привычного нам вещества, из которого состоят все видимые и воспринимаемые приборами астрономические объекты, всего лишь на 4,9%.

Раньше, исследуя космос и движение небесных тел, древние астрономы имели возможность основываться только на собственных наблюдениях, используя при этом лишь нехитрые измерительные приборы. У современных учёных, чтобы осознать строение и размеры разнообразных образований во Вселенной, есть искусственные спутники, обсерватории, лазеры и радиотелескопы, самые хитрые по устройству датчики. На первый взгляд кажется, что с помощью достижений науки ответить на вопрос о том, какой самый большой космический объект, совсем не сложно. Однако это совсем не так легко, как представляется.

Где много воды?

По каким параметрам судить: по размерам, массе или количеству? К примеру, самое крупное облако воды в космосе обнаружено от нас на расстоянии, которое свет проходит за 12 миллиардов лет. Общее количество этого вещества в виде пара в данной области Вселенной превышает все запасы земных океанов в 140 триллионов раз. Водяных испарений там в 4 тысячи раз больше, чем содержится во всей нашей галактике, называемой Млечный Путь. Учёные считают, что это древнейшее скопление, образовавшееся задолго до тех времён, когда наша Земля как планета явилась миру из солнечной туманности. Этот объект, по праву относимый к гигантам Вселенной, появился почти сразу после её рождения, всего по прошествии какого-то миллиарда лет или, может, чуть более.

Где сконцентрирована самая большая масса?

Вода, как предполагается, является старейшим и самым распространённым элементом не только на планете Земля, но и в глубинах космоса. Выходит, какой самый большой космический объект? Там, где больше всего воды и прочего вещества? Но это не совсем так. Упомянутое облако пара существует лишь потому, что сконцентрировано вокруг наделённой огромной массой чёрной дыры и удерживается силой её притяжения. Гравитационное поле рядом с подобными телами оказывается настолько сильным, что никакие объекты не способны покинуть их пределы, даже если они движутся со световой скоростью. Подобные «дыры» Вселенной именно потому и называются чёрными, что кванты света не в состоянии преодолеть гипотетическую линию, именуемую горизонтом событий. Поэтому их невозможно увидеть, но огромная масса данных образований постоянно даёт о себе знать. Размеры чёрных дыр чисто теоретически могут быть не очень большими ввиду их фантастической плотности. При этом в небольшой точке пространства концентрируется невероятная масса, отсюда, согласно законам физики, возникает и гравитация.

Ближайшие к нам чёрные дыры

Наш родной Млечный путь относится учёными к спиралевидным галактикам. Ещё древние римляне именовали её «молочной дорогой», так как с нашей планеты она имеет соответствующий вид белой туманности, распростёртой на небе в черноте ночи. А греки придумали целую легенду о появлении данного скопления звёзд, где оно представляет собой брызнувшие из грудей богини Геры молоко.

Как и у многих других галактик, существующая в центре Млечного пути чёрная дыра является сверхмассивным образованием. Называют её «Стрелец А-звезда». Это настоящее чудовище, которое буквально пожирает собственным гравитационным полем всё вокруг себя, скапливая в своих пределах огромные массы вещества, количество которого постоянно прибывает. Однако, близлежащая область именно по причине существования в ней указанной втягивающей воронки оказывается очень удачным местом для появления новых звёздных образований.

В местную группу вместе с нашей входит и галактика Андромеды, которая является ближайшей к Млечному Пути. Она тоже относится к спиральным, но в несколько раз больше и включает в себя около триллиона звёзд. Впервые в письменных источниках древних астрономов о ней упоминалось в трудах персидского учёного Ас-Суфи, жившего более тысячелетия тому назад. Это огромнейшее образование представилось упомянутому астроному как маленькое облачко. Именно за свой вид с Земли галактику также часто именуют Туманностью Андромеды.

Даже гораздо позднее учёные не могли себе представить масштабов и величины данного скопления звёзд. Они долго наделяли это космическое образование сравнительно небольшими размерами. Значительно приуменьшалось также расстояние до галактики Андромеды, хотя на самом деле неблизкий путь до неё составляет, по данным современной науки, дистанцию, которую даже свет преодолевает за период более двух тысяч лет.

Сверхгалактика и скопления галактик

Самым большим объектом в космосе можно было бы считать гипотетическую сверхгалактику. О существовании её выдвигались теории, но физическая космология современности считает неправдоподобным образование подобного астрономического скопления из-за невозможности гравитационных и прочих сил удержать её как единое целое. Однако сверхскопление галактик существует, и на сегодняшний день подобные объекты считаются вполне реальными.

Яркая точка на небе, но не звезда

Продолжая поиски примечательного в космосе, зададим теперь вопрос по-другому: какая самая большая звезда на небе? И снова не сразу найдём подходящий ответ. Приметных объектов, которые можно выделить невооружённым глазом в прекрасную погожую ночь, множество. Один - из них Венера. Эта точка на небосводе, пожалуй, ярче всех прочих. По интенсивности свечения она в несколько раз превосходит близкие к нам планеты Марс и Юпитер. Она уступает по яркости только Луне.

Однако Венера - совсем не звезда. Но древним подобную разницу заметить было очень сложно. Невооружённым глазом отличить горящие сами по себе звёзды и светящиеся отражёнными лучами планеты трудновато. Но даже в античные времена, например, греческие астрономы понимали разницу между этими объектами. Они называли планеты «блуждающими звёздами», так как перемещались те с течением времени по петлеобразным траекториям, в отличие от большинства ночных небесных красавиц.

Нечего удивительного, что Венера выделяется среди прочих объектов, ведь это вторая планета от Солнца, причём ближайшая к Земле. Теперь учёные выяснили, что небо самой Венеры сплошь покрыто густыми облаками и имеет агрессивную атмосферу. Всё это прекрасно отражает солнечные лучи, чем и объясняется яркость данного объекта.

Звёздный гигант

Самое крупное светило, обнаруженное на сегодняшний день астрономами, превышает по размерам Солнце в 2100 раз. Оно испускает малиновое свечение и находится в Этот объект расположен от нас на расстоянии четырёх тысяч световых лет. Специалисты называют её VY Большого Пса.

Но крупной звезда является только по размерам. Исследования показывают, что плотность её на самом деле ничтожно мала, а масса всего в 17 раз превышает вес нашего светила. Зато свойства этого объекта вызывают в научных кругах ожесточённые споры. Предполагается, что звезда расширяется, но со временем теряет яркость. Многие из специалистов высказывают также мнение, что огромные размеры объекта на самом деле в некотором роде лишь только кажутся таковыми. Оптическая иллюзия возникает за счёт туманности, обволакивающей истинные формы звезды.

Загадочные объекты космоса

Что такое квазар в космосе? Подобные астрономические объекты оказались для учёных прошлого века большой головоломкой. Это очень яркие источники света и радиоизлучения с относительно небольшими угловыми размерами. Но, несмотря на это, своим свечением они затмевают целые галактики. Но в чём причина? Предполагается, что в данных объектах располагаются сверхмассивные чёрные дыры, окружённые грандиозными газовыми облаками. Гигантские воронки поглощают в себя материю из космоса, за счёт чего постоянно увеличивают свою массу. Подобное втягивание и приводит к мощному свечению и, как следствие, к огромной яркости, возникающей в результате торможения и последующего нагревания газового облака. Считается, что масса подобных объектов превышает солнечную в миллиарды раз.

Гипотез об этих удивительных объектах высказывается множество. Некоторые считают, что это ядра молодых галактик. Но самым интригующим кажется предположение о том, что квазаров во Вселенной уже не существует. Дело в том, что свечение, которое земные астрономы могут наблюдать на сегодняшний день, достигало нашей планеты слишком длительный период. Считается, что ближайший к нам квазар располагается на расстоянии, которое свету пришлось преодолевать за тысячу миллионов лет. А это значит, что на Земле есть возможноть видеть лишь только «призраки» тех объектов, которые существовали в глубоком космосе в невероятно отдалённые времена. А тогда наша Вселенная была значительно моложе.

Тёмная материя

Но это далеко не все из тайн, которые хранит необъятный космос. Ещё более загадочной является «тёмная» его сторона. Обычного вещества, называемого барионной материей, как уже упоминалось, во Вселенной совсем немного. Большая часть её массы состоит, как на сегодняшний день высказываются предположения, из тёмной энергии. А 26,8% занимает тёмная материя. Подобные частицы неподвластны физическим законам, поэтому обнаружить их слишком сложно.

Данная гипотеза ещё до конца не подтверждена строгими научными данными, но возникла при попытке дать объяснение чрезвычайно странным астрономическим явлениям, связанным со звёздной гравитацией и эволюцией Вселенной. Всё это предстоит выяснить лишь в будущем.

Темная материя - не только загадка, но и ключ к решению некоторых проблем. Несмотря на то что астрономы довольно долго шли к пониманию важной роли темной материи во Вселенной, лично я осознал это весьма быстро. В 1978 г. в Калифорнийском университете в Беркли, в ходе своего первого проекта после защиты диссертации, я определял скорости орбитального движения звездообразующих гигантских молекулярных облаков во внешней части диска нашей Галактики. Разработав наиболее точный метод измерения этих скоростей, я стал наносить полученные результаты (рукой на миллиметровку!) в общей комнате астрономического факультета. В тот момент в помещении находились еще два специалиста по Галактике - Фрэнк Шу (Frank Shu) и Айвэн Кинг (Ivan King). Они наблюдали, как я строил график скоростей внешних облаков, и полученная в результате картина показала нам, что Галактика очень богата темной материей, особенно во внешних областях. Мы сидели и размышляли над природой темного вещества, но все идеи, пришедшие нам тогда в голову, оказались ошибочными.

ГАЛАКТИЧЕСКОЕ ГОНГ-ШОУ
Диск Галактики искривлен, и астрономы полагают, что это не постоянное искривление, а медленно движущаяся волна, как колебание гонга или кожи на барабане. Причиной колебания диска автор считает искажение формы темного гало Галактики, вызванное влиянием двух небольших ее спутников

Это исследование, в числе многих других работ 1970-80-х гг.. убедило астрономов, что темная материя - загадочная субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, а проявляет себя только гравитационным воздействием, - не только существует, но и представляет собой основной компонент Вселенной. Измерения со спутника WMAP подтвердили, что масса темной материи в пять раз превышает массу обычного вещества - протонов, нейтронов, электронов и т.д. Но что это за невидимое вещество, до сих пор не ясно. О мере нашей неосведомленности говорит такой факт: самые скромные гипотезы предполагают, что темная материя состоит из экзотических частиц, не обнаруженных в ускорителях, но предсказанных до сих пор не доказанными теориями строения вещества; а наиболее радикальный взгляд заключается в том, что закон гравитации Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна либо неверны, либо нуждаются в пересмотре. Но независимо от своей природы темная материя уже сейчас дает нам ключ к пониманию некоторых загадочных свойств Галактики. Например, астрономы уже более 50 лет знают, что внешние части галактического диска искривлены наподобие того, как коробится виниловый диск, оставленный на радиаторе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

• Темная материя - одна из величайших научных загадок наших дней, но астрономы смирились с ее существованием, поскольку это помогает найти ответ на многие другие космические загадки.
• Чем бы ни была эта неведомая материя, она, по-видимому, может объяснить, отчего внешний край диска нашей Галактики так сильно искривлен. Обращающиеся вокруг Галактики карликовые галактики-спутники искажают ее диск, но их гравитационное влияние было бы слабым, если бы не усиливалось темной материей.
• Другой вопрос, на который отвечает темная материя, - почему у Галактики меньше спутников, чем предсказывают модели. Возможно, спутников гораздо больше, но они почти целиком состоят из темной материи, которую трудно обнаружить.

Но объяснить причину искривления не удавалось, пока не учли влияние темной материи. Точно так же компьютерное моделирование формирования Галактики, основанное на предполагаемых свойствах темной материи, показывает, что Галактику должны окружать сотни или даже тысячи маленьких галактик-спутников, а обнаружены пока лишь две дюжины из них. Это расхождение заставило ученых усомниться, действительно ли темная материя обладает теми свойствами, которые ей приписывают. Но недавно астрономы обнаружили еще несколько карликовых спутников, что немного улучшило ситуацию. Эти спутники не только помогают нам воссоздать историю формирования Галактики, но и дают более полное представление о космическом веществе.

Причина искривления

Первым шагом к пониманию роли темной материи в Галактике служит общий взгляд на ее строение. Обычное вещество - звезды и газ - образует четыре основных структуры: тонкий диск (включающий спиральные рукава и наше Солнце), плотное ядро (со сверхмассивной черной дырой), вытянутый балдж (называемый «баром») и сфероидальное гало из старых звезд и скоплений, охватывающее всю Галактику. Но темная материя распределена совсем иначе. Мы ее не видим, но догадываемся о ее наличии по скоростям движения звезд и газа. Ее гравитационное влияние на видимое вещество говорит о том, что эта материя распределена почти сферически и простирается далеко за границы звездного гало. Ее плотность максимальна в центре и уменьшается как квадрат расстояния от него. Именно такое распределение и должно было возникнуть в результате процесса, который астрономы называют иерархическим слиянием: считается, что в раннюю эпоху Вселенной маленькие галактики объединялись, образуя более крупные, в том числе и нашу Галактику.

Многие годы астрономы не могли продвинуться дальше представления о темной материи в виде огромного бесструктурного шара из неизвестного вещества. За последние несколько лет нам удалось понять многие детали: темная материя теперь выглядит интересней, чем представлялась до сих пор. Многие факты говорят, что это вещество распределено не равномерно, а собрано в огромные облака.

Такая неоднородность могла бы объяснить наблюдаемое астрономами искривление краев галактического диска. На расстояниях более 50 тыс. световых лет от центра диск почти полностью состоит из атомарного водорода и небольшого числа звезд. Наблюдения радиоастрономов показывают, что газ не сосредоточен в плоскости Галактики: чем дальше от центра, тем больше он изгибается. На расстоянии примерно 75 тыс. световых лет диск изогнут примерно на 7,5 тыс. световых лет по отношению к плоскости.

ЧТО ИСКРИВИЛО ГАЛАКТИКУ?

Диск нашей Галактики, содержащий большую часть звезд и газа, имеет примерно те же пропорции, как и виниловая пластинка или компакт-диск. Деформация галактического диска сделала его похожим на винил или CD, с которыми плохо обращались

Вернемся к старой гипотезе
Гипотеза 1950-х гг. приписывала эту деформацию гравитационному влиянию двух галактик-спутников, Большому и Малому Магеллановым Облакам. Ее отвергли потому, что эти галактики слишком легкие, чтобы оказать заметное влияние на нашу Галактику. Теперь астрономы узнали, что видимую часть Галактики окружает огромное гало из темной материи. Недавно они показали, что темная материя может усиливать гравитационное влияние Облаков, чем и объясняется искривление диска

Ясно, что вращаясь вокруг центра Галактики, газовый диск еще и колеблется вверх-вниз относительно плоскости. Эти колебания охватывают периоды в сотни миллионов лет, и мы наблюдаем их в некоторый момент цикла. В сущности, газовый диск работает как гигантский, медленно вибрирующий гонг. Подобно гонгу, он может вибрировать на нескольких частотах, каждой из которых соответствует определенная форма поверхности. В 2005 г. я и мои коллеги доказали, что наблюдаемое искривление представляет собой сумму трех таких частот (самая нижняя на 64 октавы ниже «до» первой октавы). Суммарный эффект получается асимметричным: на одной стороне Галактики газ располагается над плоскостью, а на другой стороне - под ней.

Радиоастрономы, первыми заметившие это искривление в 1950-х гг., думали, что оно может быть результатом гравитационного влияния Магеллановых Облаков - самых массивных спутников нашей Галактики. Поскольку они движутся не в плоскости Галактики, их тяготение стремится исказить наш диск. Но детальные расчеты показали, что притяжение сравнительно легких Магеллановых Облаков слишком слабо, чтобы объяснить искривление галактического диска. Десятилетиями его причина оставалась неразрешимой задачей.

Темный молот

Осознание того, что Галактика содержит темную материю, наряду с более точным измерением массы Магеллановых Облаков (которая оказалась больше, чем думали) открыло новые возможности. Если газовый диск ведет себя как гигантский гонг, то движение Магеллановых Облаков сквозь гало темной материи должно действовать, пусть и не прямо, как удары молота по гонгу, который издает звуки на резонансных частотах. Облака создают свой след в темной материи, как лодка оставляет кильватерный след, плывя по воде. Вот так и за Облаками возникает неоднородность в распределении темного вещества. А это в свою очередь действует как молот, вызывая колебание маломассивных внешних частей диска. В результате, хотя Магеллановы Облака и малы, темная материя существенно усиливает их влияние. Такую идею предложил в 1998 г. Мартин Вайнберг (Martin D. Weinberg) из Массачусетсского университета в Амхерсте. Затем мы с ним применили эту теорию к наблюдениям Галактики и обнаружили, что можем воспроизвести три типа колебаний газового диска. Если теория верна, то искривление диска Галактики должно вести себя активно: его форма меняется вследствие орбитального движения Магеллановых Облаков. Форма Галактики не постоянна, она непрерывно изменяется. (Видео этого процесса доступно на сайте (англ) либо ниже. - Прим. ред.)

Это видео показывает спиральную форму нашей Галактики и два ее маленьких галактик-спутника, Большое и Малое Магеллановы Облака (слева). Спутники вращаются вокруг основной галактики, тем самым, запускают медленно распространяющеюся волну в ней. В человеческом масштабе времени, эти волны выглядят как статические деформации в галактической окрестности. Странно, то, что спутники слишком малы для того что бы вызвать такой эффект. Астрономы недавно показали, что их вес значительно больше за счет темной материи (на видео не показано)

Магеллановы Облака не являются единственными спутниками Млечного Пути. Астрономы насчитали около двух десятков. Это видео показывает их трехмерное положение по отношению к плоскости галактики, где Солнце и большинство других звезд скрыты. С помощью The Sloan Digital Sky Survey было показано, что в части выделенной розовым цветом находятся еще десятки спутников. Они очень тусклы и состоят, в основном, из темной материи.

Искривление - не единственная асимметрия формы Галактики. Весьма неравномерна и толщина внешнего газового диска, что также было обнаружено с помощью радиотелескопов. Если провести линию от Солнца к центру Галактики и продолжить ее дальше до края, то обнаружится, что толщина газового слоя по одну сторону от этой линии в среднем вдвое больше, чем по другую. Эта сильная асимметрия динамически нестабильна: предоставленная сама себе, она должна выравниваться. Поэтому для ее поддержания требуется какой-то механизм. Астрономы 30 лет знали об этой проблеме, но «заметали ее под ковер». Однако новые детальные обзоры атомарного водорода в Галактике и прогресс в понимании некруговых движений газа не позволяют больше игнорировать эту асимметрию. Появились два возможных объяснения, и оба учитывают темную материю. Либо Галактика сферическая, но не концентрическая со своим гало из темной материи, либо, как считают Канак Саха (Kanak Saha) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Гархинге и его коллеги, гало из темной материи само асимметрично. Обе эти идеи ставят под сомнение уверенность астрономов в том, что Галактика и ее темное гало сформировались одновременно при конденсации одного огромного облака. Если бы это было так, то обычное вещество и темная материя должны были бы иметь центры в одном и том же месте. Но асимметрия явно указывает на то, что Галактика образовалась при слиянии более мелких звездных систем или же росла из-за постоянной аккреции межгалактического газа, - оба этих процесса не должны быть симметричными. Центр Галактики может быть смещен относительно центра темной материи, поскольку газ, звезды и темная материя ведут себя по-разному.

Для проверки этой идеи нужно исследовать длинные и тонкие потоки звезд, протянувшиеся по внешним областям Галактики. Это вытянувшиеся остатки прежних галактик-спутников. На орбитах вокруг нашей звездной системы в основном движутся сфероидальные карлики, названные так из-за их округлой формы и малой массы входящих в них звезд - примерно в 10 тыс. раз меньше массы звезд Галактики. Со временем эти карлики сходят с орбиты, и на них начинают действовать приливные силы Галактики. Это те же силы, которые создает Луна на Земле, вызывая дважды в сутки приливы и отливы морской воды. Карликовая галактика начинает вытягиваться и может стать узенькой лентой (см.: Гибсон Б.. Ибата Р. Призраки погибших галактик).

Поскольку эти звездные потоки движутся вокруг Галактики на больших расстояниях от центра, где гравитационное влияние темной материи велико, форма потоков зависит от формы гало. Если гало не идеально сферично, а немного сплюснуто, то оно разворачивает орбиты звезд потока и вызывает заметное отклонение от движения по большому кругу. Однако потоки выглядят очень тонкими, и их орбиты вокруг Галактики близки к большим кругам. Компьютерное моделирование Родриго Ибаты (Rodrigo Ibata) и его коллег показало, что распределение темной материи близко к сферическому, хотя и может быть смещенным, как полагают Саха с коллегами.

Скрытые галактики

Если разрушение карликовых галактик вызывает некоторые вопросы, то об их возникновении известно еще меньше. Согласно современным взглядам, рождение галактик начинается с формирования скоплений темной материи, которые затем стягивают к себе газ и звезды, образующие их видимые части. Так рождались не только крупные галактики, такие как наша, но и многочисленные карлики. Эти модели довольно точно предсказывают свойства карликовых галактик, но их количество, согласно моделям, должно быть гораздо больше, чем реально наблюдается. Где же ошибка - в моделях или в наблюдениях?

СКРЫТЫЕ ЧЛЕНЫ ГАЛАКТИЧЕСКОГО СЕМЕЙСТВА

Согласно теории, вокруг нашей Галактики должны обращаться сотни галактик-спутников. Астрономы долго переживали, что нашли всего около двух дюжин таких галактик, но теперь с помощью Слоуновского обзора неба этот пробел восполнен - найдены не обнаруженные ранее спутники. Они состоят из почти чистой темной материи. (Расположение предсказанных спутников дано условно: оно отражает их общее распределение.)

Частично на этот вопрос ответил анализ Слоуновского обзора (Sloan Digital Sky Survey, SDSS), охватывающего примерно четверть всего неба. В ходе этого обзора обнаружили почти дюжину новых, очень тусклых галактик-спутников, что весьма удивительно: ведь наблюдения неба проводят давно, и трудно понять, как можно было не замечать таких близких соседей. Эти галактики называют «бледными карликами»; порой в них содержится всего несколько сотен звезд. Они такие тусклые и разреженные, что их невозможно разглядеть на обычном изображении неба. Нужна специальная техника обработки, чтобы их заметить. Если бы Слоуновский обзор покрыл все небо, то обнаружилось бы еще около 35 бледных карликов. Но и при этом не были бы найдены все «скрытые» карлики. Поэтому астрономы думают над новыми методами поиска. Возможно, многие из этих галактик слишком далеки и недоступны современным телескопам. Слоуновский обзор может обнаруживать бледные карлики на расстояниях примерно до 150 тыс. световых лет. Эрик Толлеруд (Erik Tollerud) с коллегами из Калифорнийского университета в Ирвайне считает, что около 500 необнаруженных галактик удалены от центра нашей Галактики примерно на 1 млн световых лет. Астрономы смогут обнаружить их с помощью нового Большого обзорного телескопа (Large Synoptic Survey Telescope), который начнет действовать в марте следующего года. По площади объектива он в восемь раз превосходит Слоуновский телескоп.

Согласно другой гипотезе, вокруг Галактики обращаются спутники еще более тусклые, чем бледные карлики: возможно, они такие потому, что вообще не содержат звезд. Это почти чистая темная материя. Сможем ли мы когда-нибудь заметить эти темные карлики, зависит от того, содержат ли они наряду с темной материей газ. Этот газ может быть очень разреженным и поэтому охлаждаться так медленно, что из него не формируются звезды. Но радиотелескопы, делая обзор больших участков неба, могут его обнаружить.

Но если эти галактики вообще лишены газа, то они могут проявить себя только косвенно, посредством гравитационного влияния на обычное вещество. Если одна из подобных темных галактик промчится сквозь диск нашей или какой-либо иной галактики, она оставит после себя «всплеск» - как брошенный в спокойное озеро камушек, - и это проявится как наблюдаемое возмущение в пространственном распределении или в скоростях звезд и газа. К сожалению, такой «всплеск» очень слаб, и астрономы должны убедиться в его подлинности, что нелегко. В дисках атомарного водорода у всех спиральных галактик наблюдаются возмущения, похожие на волны бушующего моря.

Если темная галактика достаточно массивна, то метод, который разработала Суканья Чакрабарти (Sukanya Chakrabarti) из Атлантического университета штата Флорида с коллегами, включая меня, позволит заметить ее движение. Недавно мы показали, что самые сильные возмущения на краях галактик - это приливные следы, оставленные пролетавшими мимо галактиками, и их можно отличить от других искажений. Анализируя возмущения, мы можем определить массу и текущее положение возмущающей галактики. Этим методом можно выявить галактики, масса которых в тысячу раз меньше массы главной. Применив этот метод к нашей звездной системе, мы пришли к выводу, что необнаруженный и, возможно, совершенно темный спутник скрывается в галактической плоскости на расстоянии 300 тыс. световых лет от центра Галактики. Мы попытаемся найти этот карлик в ближнем инфракрасном диапазоне, используя данные космического телескопа «Спитцер».

Слишком мало света

Даже обнаружив бледные и темные галактики, астрономы часто затрудняются определить количество содержащегося в них вещества. Обычно это количество вычисляют по соотношению «масса - светимость»: масса вещества в галактике, деленная на полное количество излучаемого ею света. Как правило, это соотношение указывают в солнечных единицах. У Солнца отношение массы к светимости по определению равно 1. В нашей Галактике средняя звезда менее массивна и более тускла, чем Солнце, поэтому общее отношение «масса - светимость» всего светящего вещества в Галактике близко к 3. Но если учесть темное вещество, то полное отношение массы к светимости Галактики подскочит до 30.

Джош Саймон (Josh Simon) из Института Карнеги в Вашингтоне и Марла Геха (Maria Geha) из Йельского университета измерили скорости звезд в восьми бледных карликах для определения массы и светимости этих галактик. Отношение «масса - светимость» у них порой превышает 1000, что гораздо выше, чем у любой структуры во Вселенной. В целом темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Почему же отношение массы к светимости у нашей Галактики намного выше, а у бледных галактик оно еще значительнее?

Ответ может определяться либо числителем, либо знаменателем этого отношения: галактики с отношением массы к светимости выше среднего значения по Вселенной либо имеют массу больше ожидаемой, либо дают меньше света. Астрономы считают, что дело в знаменателе: огромное количество обычного вещества не излучает достаточно сильно, чтобы его можно было заметить. Причина в том, что это вещество либо не смогло скопиться в галактиках и превратиться в звезды, либо осело в галактики, но затем было выброшено обратно в межгалактическое пространство, где пребывает в ионизованном виде, недоступном для наблюдения при помощи современных телескопов (см.: Гич Дэк. Потерянные галактики // ВМН, № 9, 2011). Маломассивные галактики, обладающие слабым притяжением, теряют больше газа, поэтому их светимость заметно снижается. Любопытно, что пытаясь решить проблемы с одним типом невидимого вещества (темная материя), мы приходим к мысли о существовании других его типов (обычного, но не обнаруженного вещества).

Загадка темной материи, много лет пребывавшая в спячке, стала сейчас самой резонансной областью исследований как в физике, так и в астрономии. Физики надеются обнаружить частицы темной материи, а астрономы исследуют поведение этого вещества. Но независимо от того, разгадали мы природу темной материи или нет, само ее наличие позволяет понять многие астрономические явления."

Перевод: В.Г. Сурдин

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. A Magellanic Origin for the Warp of the Galaxy, Martin D. Weinberg and Leo Blitz in Astrophysical Journal Letters, Vol. 641. № 1. pages L33-L36; April 10. 2006. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0601694
2. The Vertical Structure of the Outer Milky Way HI Disk, E. S. Levine. Leo Blitz and Carl Heiles in Astrophysical Journal. Vol. 643. № 2, pages 881-896: June 1.2006. http://arx-iv.org/abs/astro-ph/0601697
3. Finding Dark Galaxies from Their Tidal Imprints, Sukanya Chakrabarti. Frank Bigiel. Philip Chang and Leo BUtz. Submitted to Astrophysical Journal, http://arxiv.org/abs/1101.0815
4. Фридман A.M., Хоперсков А.В. Физика галактических дисков. М.: Физматлит. 2011.
5. Сурдин В.Г. Пятая сила. 2-е изд. М.: МЦНМО. 2009.
6. Кинг А.Р. Введение в классическую звездную динамику. 2-е изд. М.: Едиториал УРСС. 2011.

ОБ АВТОРЕ

Лео Блиц (Leo Blitz) еще со школьной скамьи под впечатлением от научно-популярного телесериала «Наблюдай за мистером Волшебником» (Watch Mr. Wizard) мечтал стать астрономом. Сейчас он профессор Калифорнийского университета в Беркли, а был директором Радиоастрономической лаборатории.