У Млечного Пути есть множество галактик-спутников, в первую очередь Большое и Малое Магеллановы облака. Оба они видны невооружённым глазом из южного полушария. Теперь астрономы обнаружили ещё один спутник, самый маленький и тусклый из когда-либо обнаруженных. Возможно, это галактика с самым большим содержанием тёмной материи из известных.

Галактика называется Ursa Major III / UNIONS 1 (UMa3/U1), и в ней очень мало звёзд. Её светимость настолько мала, что до сих пор она оставалась незамеченной, хотя и находится по соседству с нами.

Об этом открытии говорится в новой работе под названием «Ursa Major III/UNIONS 1: самая тёмная галактика из когда-либо обнаруженных?». Работа опубликована в журнале The Astrophysical Journal, а её ведущим автором является Саймон Смит. Смит — аспирант по астрономии в Университете Виктории, Британская Колумбия, Канада.

«UMa3/U1 расположена в созвездии Большой Медведицы (Ursa Major), где находится Большая Медведица. Относительно говоря, она находится на нашем космическом заднем дворе, примерно в 30 000 световых лет от Солнца, — говорит Смит. — До сих пор UMa3/U1 не удавалось обнаружить из-за её крайне низкой светимости».

В UMa3/U1 всего около 60 звёзд, что едва ли позволяет считать её галактикой. Существуют звёздные скопления с большим количеством членов. На самом деле, по количеству звёзд эта крошечная галактика больше соответствует открытому скоплению.

Крошечная галактика содержит звёзды возрастом более 10 миллиардов лет и имеет всего 10 световых лет в поперечнике, что очень мало для галактики. Её масса также невелика для галактики — всего в 16 раз больше массы Солнца и в 15 раз меньше массы самой слабой из предполагаемых карликовых галактик. Эти небольшие цифры больше подошли бы шаровому скоплению, но этот объект всё равно может быть галактикой из-за присутствия тёмной материи.

Хотя некоторые звёздные скопления более массивны, чем эта карликовая галактика, они не являются галактиками. Астрономы считают, что в шаровых скоплениях преобладают процессы, связанные с обычной, барионной материей. Масса сверхтусклых галактик, подобных этой, на много порядков превышает суммарную массу их звёзд. «Поэтому в рамках космологической теории Lambda-CDM (Lambda Cold Dark Matter) считается, что карликовые галактики находятся в центре своих собственных ореолов тёмной материи», — говорится в исследовании. Астрофизики полагают, что гало из тёмной материи объясняют всю эту массу, которой лишены глобулы и другие звёздные скопления.

Крошечная галактика была впервые замечена в рамках проекта Ultraviolet Near Infrared Optical Northern Survey (UNIONS) на телескопе Canada France Hawaii Telescope (CFHT) и Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS), расположенных на Гавайях. После обнаружения звезды исследователи изучили её более детально с помощью спектрографа Deep Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) обсерватории Кек. Эти наблюдения подтвердили, что звёзды гравитационно связаны, а значит, они должны находиться либо в скоплении, либо в крошечной галактике.

Небольшое количество звёзд в галактике заставило бы любого усомниться в том, что её можно по праву называть галактикой. Даже исследователи сомневались в этом.

«В UMa3/U1 так мало звёзд, что можно задаться вопросом, не является ли она просто случайным скоплением похожих звёзд. Кек сыграл решающую роль в том, чтобы показать, что это не так, — говорит соавтор исследования Марла Геха, профессор астрономии и физики Йельского университета. — Наши измерения DEIMOS ясно показывают, что все звёзды движутся в космосе с очень похожими скоростями и, похоже, имеют схожие химические составы».

Астрономы пытаются понять карликовые галактики и их тёмную материю. Например, используемые астрономами методы диагностики, такие как соотношение звёздной массы и металличности, позволяют утверждать, что они больше похожи на звёздные скопления, чем на галактики. Кроме того, по своим наблюдаемым свойствам они занимают среднее положение между скоплениями и карликовыми галактиками.

Когда речь заходит о UMa3/U1, возникает множество неопределённостей. Каким-то образом это объединение звёзд сохранилось в неизменном виде в течение долгого времени. При такой низкой звёздной массе эта группа должна была бы уже распасться на части, а её члены раствориться в более крупной популяции Млечного Пути. Тот факт, что она всё ещё вместе, является интригующим свидетельством того, что в этом замешана тёмная материя.

«Захватывающе интересно, что предварительный разброс скоростей звёзд в системе может подтвердить вывод о том, что UMa3/U1 — галактика с преобладанием тёмной материи, и мы надеемся тщательно изучить эту возможность с помощью дополнительных наблюдений на Кеке», — сказал аспирант Йельского университета Уилл Серни, второй автор исследования.

«Объект настолько мал, что его долговременное выживание вызывает удивление. Можно было бы ожидать, что серьёзные приливные силы со стороны диска Млечного Пути уже разорвали бы систему на части, не оставив никаких заметных остатков, — говорит Керни. — Тот факт, что система осталась неповреждённой, приводит к двум одинаково интересным вариантам. Либо UMa3/U1 — это крошечная галактика, стабилизированная большим количеством тёмной материи, либо это звёздное скопление, которое мы увидели в нужный момент перед его скорой гибелью».

Если астрофизики смогут подтвердить, что в галактике есть тёмная материя, это будет очень важно. Это будет ещё одним доказательством в поддержку модели холодной тёмной материи (CDM), ведущей теории тёмной материи и Большого взрыва. CDM предсказывает, что при формировании Млечного Пути его гравитация притягивала большое количество карликовых галактик, гораздо большее, чем было обнаружено до сих пор. Если это одна из них, и если другие так же трудно обнаружить, как UMa3/U1, то это подтвердит теорию.

Но для исследователей, стоящих за этим открытием, дело не только в тёмной материи. Они нашли нечто необычное, что трудно обнаружить. Есть ли ещё подобные галактики?

«Независимо от того, подтвердят или опровергнут будущие наблюдения тот факт, что эта система содержит большое количество тёмной материи, мы очень взволнованы возможностью того, что этот объект может быть вершиной айсберга — он может быть первым примером нового класса чрезвычайно слабых звёздных систем, которые до сих пор ускользали от обнаружения», — говорит Черни.

Что касается её происхождения, то здесь есть только два варианта. Она либо сформировалась на месте, либо Млечный Путь притянул её к себе. Астрономы используют металличность и орбиты, чтобы определить происхождение карликовой галактики, но в данном случае ни одно из измерений не показало, что она сформировалась на месте.

Только дальнейшие наблюдения позволят определить её происхождение, но пока авторы склоняются к версии об аккреции. «Мы предпочитаем сценарий, при котором UMa3/U1 была притянута в гало Млечного Пути», — пишут они в своём заключении. Этот сценарий также поддерживает модель Lambda-CDM.

Её судьба также неясна. До сих пор она не разорвалась на части, что свидетельствует о наличии в ней тёмной материи. Но если у неё нет тёмной материи, то, возможно, она находится на грани уничтожения. Остаётся только ждать и наблюдать.

Пока что у объекта неопределённое прошлое и неопределённое будущее. Но как бы его ни классифицировали, это нечто новое, а значит – интересная проблема. «Это открытие может бросить вызов нашему пониманию формирования галактик и, возможно, даже определению понятия "галактика"», — говорит Смит.