Чем бы ни была тёмная материя, космологи заняты тем, что пытаются понять, какую роль она играет в структуре Вселенной. Наша стандартная космологическая модель, также называемая лямбда-CDM (LCDM), делает ряд предсказаний о том, как формируются и эволюционируют галактики, в основном концентрируясь на гало из тёмной материи. Гало из тёмной материи — это фундаментальные строительные блоки космологической структуры. Учёные часто называют их строительными лесами, на которых построена Вселенная.
Одно из предсказаний LCDM касается галактик-спутников. Согласно теории, каждая галактика формируется и растёт внутри гало из тёмной материи, включая карликовые и спутниковые галактики. Теория LCDM предсказывает, что вокруг Млечного Пути должно находиться больше маленьких гало из тёмной материи, чем сегодня существует тех галактик-спутников, которых мы наблюдаем в реальности. Новое исследование, представленное на Национальном астрономическом собрании Королевского астрономического общества, может дать ответ на эту загадку.
Доклад называется «Вклад „галактик-сирот“ в популяцию ультратусклых спутников Млечного Пути», а ведущим исследователем является доктор Изабель Сантос-Сантос из Института вычислительной космологии при физическом факультете Даремского университета, Великобритания.
«В последнее десятилетие наблюдается рост числа известных галактик-спутников Млечного Пути, в основном благодаря открытию сверхъярких систем на близких расстояниях», — пишет Сантос-Сантос. «Эти результаты свидетельствуют о большем количестве спутников в пределах ~ 30 кпк, чем предсказывается космологическим моделированием гало, подобных Млечному Пути, в рамках модели CDM».
Астрономы обнаружили около 60 галактик-спутников вокруг Млечного Пути. Наиболее известными галактиками-спутниками являются Большое и Малое Магеллановы Облака, но есть и другие, например, карликовая сфероидальная галактика Стрельца и карликовая галактика Скульптора. Сантос-Сантос утверждает, что их должно быть ещё несколько десятков.
«Мы знаем, что у Млечного Пути есть около 60 подтверждённых галактик-компаньонов, но мы думаем, что должны быть ещё десятки таких тусклых галактик, вращающихся близко к Млечному Пути», — сказала она в пресс-релизе.
Проблема в том, что эти маленькие галактики крайне сложно обнаружить. Учёные полагают, что эти галактики могли лишиться своей тёмной материи в результате взаимодействия с гораздо более массивным Млечным Путём. Без тёмной материи, которая действует как гравитационный якорь, газ, пыль и даже звёзды легче улетучиваются. Это означает, что активного звёздообразования в них почти нет, а есть только более тусклая популяция старых звёзд. Именно поэтому галактики-спутники так сложно обнаружить.
«Если наши предсказания верны, это придаёт дополнительный вес теории Лямбда-CDM, описывающей формирование и эволюцию структуры во Вселенной. Астрономы-наблюдатели используют наши предсказания в качестве эталона для сравнения с новыми данными, которые они получают», — говорит Сантос-Сантос. «Когда-нибудь мы сможем увидеть эти „недостающие“ галактики, это будет очень интересно и расскажет нам больше о том, как возникла такая Вселенная, какой мы её видим сегодня».
Работа основана на симуляции Aquarius, созданной консорциумом Virgo. Aquarius моделирует эволюцию ореола тёмной материи Млечного Пути с самым высоким разрешением. Она была создана для изучения тонкомасштабной структуры вокруг Галактики.
Исследователи использовали Aquarius и другие аналитические модели формирования галактик, чтобы проследить за формированием и эволюцией карликовых галактик и «оценить истинное обилие и радиальное распределение спутников Млечного Пути», которые предсказывает модель LCDM. Они определили, что небольшие гало из тёмной материи, в которых могут находиться галактики-спутники, вращаются вокруг Млечного Пути уже миллиарды лет, но после того, как из них исчезла вся тёмная материя, они стали тусклыми и сейчас их трудно увидеть. Такие галактики иногда называют «осиротевшими». Моделирование показало, что спутников Млечного Пути может быть до 100.
«Поразительно, но сироты составляют половину всех спутников в нашем прогоне с самым высоким разрешением, занимая в основном центральные области гало Млечного Пути», — пишут исследователи.
Другая часть головоломки касается примерно 30 галактик-спутников, обнаруженных недавно, все они маленькие и тусклые. Если это лишённые тёмной материи или осиротевшие галактики, то их обнаружение — дополнительное свидетельство в пользу LCDM. Они могут быть подмножеством тусклой популяции спутников, которую предсказывает моделирование. Однако они также могут быть и шаровыми скоплениями.
Профессор Карлос Фрэнк из Института вычислительной космологии при физическом факультете Даремского университета является одним из соисследователей. Фрэнк сказал: «Если популяция очень слабых спутников, которую мы предсказываем, будет обнаружена с помощью новых данных, это станет замечательным успехом теории формирования галактик LCDM».
«Кроме того, это станет наглядной иллюстрацией возможностей физики и математики», — добавил Фрэнк. «Используя законы физики, с помощью большого суперкомпьютера и математического моделирования мы можем делать точные предсказания, которые астрономы, оснащённые новыми мощными телескопами, могут проверить. Лучше не бывает».
Обсерватория имени Веры Рубин и её десятилетний проект Legacy Survey of Space and Time могут обнаружить присутствие этих тусклых, осиротевших спутников. «По нашим прогнозам, в радиусе ~30 кпк от Млечного Пути должны наблюдаться десятки спутников, которые ожидают открытия с помощью таких глубоких обзоров, как LSST», — поясняют исследователи.
Учёные давно ломают голову над тем, как связаны между собой Млечный Путь, гало из тёмной материи и галактики-спутники. Некоторые исследования позволяют предположить, что у Млечного Пути не только есть спутники, которые мы ещё не обнаружили, но и что у этих спутников могли быть свои спутники, которые они притянули к Млечного Пути. Если это окажется правдой, то у Млечного Пути может быть ещё 150 тусклых спутников, которые ждут, чтобы их обнаружили обсерватории вроде «Рубин».
Учёные полагают, что гало тёмной материи могут быть разных размеров: некоторые потянут всего на несколько масс Земли, а некоторые могут быть огромной массы. Также есть мнение, что эти гало могли формироваться иерархически, когда меньшие гало сливались с большими, постепенно создавая космическую паутину, которая в значительной степени определяет современную Вселенную. Если это так, то осиротевшие галактики MW могут стать весомым доказательством их иерархической природы.
Теперь, когда обсерватория имени Веры Рубин получила долгожданный первый свет, мы можем получить подтверждение в ближайшее время. Возможно, это даже поможет нам однажды понять, что же на самом деле представляет собой тёмная материя.