Галактика рушит старые законы — тёмная материя приняла форму диска

Может ли загадочная тёмная материя, невидимая субстанция, удерживающая галактики от распада, иметь форму вовсе не шара, а сплющенного диска? Новое исследование даёт неожиданный ответ, который может перевернуть прежние представления о строении нашей Галактики.

Почему тёмная материя — главная загадка космоса

С самого момента, когда астрономы заметили, что звёзды вращаются вокруг центров галактик быстрее, чем позволяют наблюдаемые массы, стало ясно: во Вселенной есть нечто невидимое, но колоссально тяжёлое. Это "нечто" назвали тёмной материей.

Она не излучает свет, не отражает и не поглощает его, поэтому учёные видят лишь её гравитационные следы. Согласно общепринятым моделям, тёмная материя образует сферические гало, в центре которых рождаются галактики. Но наблюдения за ядром Млечного Пути в последние годы заставили усомниться в этой идее.

Когда космический телескоп "Ферми" направил свои детекторы на центр Галактики, он зафиксировал загадочный избыток гамма-излучения — самого энергичного типа света.

"Когда космический телескоп "Ферми" был направлен на центр Галактики, он зарегистрировал слишком много гамма-излучения", — сообщил исследователь Мооритс Михкель Муру из Потсдамского астрофизического института имени Лейбница и Тартуского университета.

Этот избыток света астрономы пытались объяснить больше десяти лет.

От аннигиляции к пульсарам

Сначала казалось, что всё просто: частицы тёмной материи могут сталкиваться и аннигилировать, высвобождая энергию в виде гамма-квантов. Тогда загадочное свечение можно было бы считать прямым доказательством существования этой материи.

Но позже оказалось, что распределение излучения не похоже на сферическое — оно сплющено, вытянуто, словно следует структуре галактического диска. Это противоречило теориям и заставило учёных искать другие объяснения.

В ход пошла гипотеза о миллисекундных пульсарах — крошечных, но невероятно плотных звёздах, вращающихся со скоростью сотни оборотов в секунду и излучающих потоки гамма-лучей. Их миллионы, и вместе они могли бы дать схожий сигнал.

Так теория о тёмной материи отошла на второй план.

Компьютерная симуляция, изменившая правила игры

Исследование под руководством Муру, опубликованное в журнале Physical Review Letters, возвращает эту гипотезу на арену. Учёные использовали передовые симуляции HESTIA, которые моделируют формирование галактик, подобных Млечному Пути, с учётом реальных космических условий.

Результаты оказались неожиданными.

"Мы обнаружили, что тёмная материя вблизи центра имеет не сферическую, а сплющенную форму", — пояснил Муру.

По словам исследователя, именно это могло ввести коллег в заблуждение: теория аннигиляции частиц не ошибалась — ошибались предположения о форме распределения тёмной материи.

Внутренняя часть галактики действительно может быть сжата и деформирована под действием звёздных слияний, приливных сил и столкновений с другими галактиками. Это делает гало тёмной материи не сферическим, а коробчатым или овальным — очень похожим на наблюдаемый контур гамма-излучения.

Сравнение гипотез

Как новые данные могут изменить картину

Если тёмная материя действительно имеет сплющенную форму, то старые модели придётся пересмотреть. Это также значит, что наблюдаемые всплески гамма-лучей можно объяснить без привлечения "лишних" источников.

"Это приближает нас к пониманию того, что такое тёмная материя на самом деле, используя данные, полученные из самого сердца нашей галактики", — отметил Муру.

Учёный подчёркивает, что речь не идёт о сенсационном открытии, но о важном уточнении, которое возвращает прежнюю гипотезу в научную дискуссию.

А что если обе теории верны?

Астрономы не исключают, что излучение в центре Галактики может иметь смешанное происхождение: часть — от пульсаров, часть — от тёмной материи. Чтобы выяснить, какая доля принадлежит каждой, понадобятся новые телескопы.

Если будущие инструменты, такие как Square Kilometre Array (SKA) и Cherenkov Telescope Array (CTA), зафиксируют множество отдельных источников, гипотеза о пульсарах получит преимущество. Если же излучение окажется равномерным, шанс на подтверждение тёмной материи возрастёт.

Плюсы и минусы подходов

FAQ

Как именно моделируют поведение тёмной материи?
Используют суперкомпьютеры, которые рассчитывают движение миллиардов частиц, имитируя гравитационные процессы за миллиарды лет.

Можно ли "увидеть" тёмную материю?
Нет — она не взаимодействует со светом. Учёные судят о ней по гравитации, которую она создаёт.

Когда появятся новые данные?
Первые наблюдения SKA и CTA ожидаются к концу десятилетия. Они дадут более детальную карту центра Млечного Пути.

Мифы и правда

• Миф: тёмная материя уже найдена.
Правда: ни один эксперимент пока не обнаружил её частиц напрямую.

• Миф: гамма-излучение исходит только от чёрных дыр.
Правда: пульсары и даже аннигиляция гипотетических частиц тоже могут его производить.

• Миф: все галактики имеют одинаковое распределение тёмной материи.
Правда: слияния и взаимодействия сильно искажают её форму, особенно в ядре.

Три факта о загадочном веществе

1. Тёмная материя составляет около 85% массы Вселенной.

2. Её присутствие впервые заподозрили при наблюдении вращения галактик в 1930-х годах.

3. Существуют десятки кандидатов на роль частиц тёмной материи — от WIMP до аксионов.

Исторический контекст

Первые намёки на тёмную материю появились почти век назад благодаря астроному Фрицу Цвикки, который заметил, что галактики в скоплении Кома движутся слишком быстро. Позже Вера Рубин доказала, что и звёзды в галактиках ведут себя аналогично. С тех пор идея невидимой массы стала краеугольным камнем космологии.

Сегодня, благодаря новым вычислительным технологиям, исследователи, подобные Муру, могут проверять старые теории с точностью, немыслимой для прошлого века. И хотя загадка остаётся, шаг за шагом человечество приближается к пониманию того, из чего соткана Вселенная.