Враження, можливо, таке, що ми значною мірою розуміємо сучасний Всесвіт. У нас доволі чіткі уявлення про те, як Всесвіт виник і еволюціював. Ми послали зонди до сусідніх планет, виявили велику кількість екзопланет і виконали каталогізацію родоводу галактик. Однак є деякі суттєві речі, про які ми не маємо уяви — наприклад, про субстанцію, що заповнює космічний простір. У матерії, яку ми можемо спостерігати у Всесвіті, є явний антипод — всюдисущий, незримий її конкурент, але абсолютно невидимий «агент впливу». Він уп’ятеро переважає все, що може побачити око земного спостерігача — це так звана «темна матерія».
Ми знаємо про неї тільки те, що вона своєю гравітацією впливає на звичайну матерію. Це єдиний доказ її існування. Річ в тому, що видимої матерії, яку ми можемо бачити в галактиках або скупченнях галактик, недостатньо, аби її гравітація забезпечувала цілісність таких величезних космічних структур. Напрошується думка, що роль цього невидимого агента може бути не просто значною, можна говорити про його домінування.
Більшість сучасних спіральних галактик, таких як NGC 1300, на думку науковців, переобтяжені темною матерією в зовнішніх районах. Фото з сайту www.space.com.
Досі ми не змогли сформулювати уявлення щодо природи цієї незримої сили, її походження та особливостей еволюції. І тепер нове дослідження, опубліковане в Nature, робить це питання ще заплутанішим, припускаючи, що в ранніх галактиках вона була присутня тільки в невеликих кількостях.
Галактична головоломка
Можна без перебільшень сказати, що велика частина астрономії присвячена вивченню боротьби з гравітацією. Зорі світять саме для того, щоб протистояти гравітаційному колапсу під дією сили тяжіння власної речовини. Обертання Молочного Шляху — своєрідний спосіб уберегтися від галактичної сили тяжіння. Деякі масивніші галактики демонструють зв’язне обертання (більшою чи меншою мірою), але в них виявлені також випадкові рухи, які врівноважують силу тяжіння. Саме тому вимірювання руху галактик — ефективний спосіб визначення величини сили тяжіння — іншими словами, загальної маси речовини в межах певної ділянки простору.
Наприкінці минулого року пішла з життя Віра Рубін (Vera Rubin), один з піонерів дослідження динаміки галактик. Вона виявила, що зовнішні райони сусідніх спіральних галактик обертаються з такою швидкістю, як і регіони поблизу центра. Це суттєво сприяло створенню нашої сучасної картини темної матерії у Всесвіті. Якщо швидкість обертання лишається високою далеко від центральних районів сусідніх спіральних галактик, де локалізовано більшість зір, то це серйозний доказ наявності темної матерії. Справді, науковці вважають, що кожна галактика має гало темної матерії, яке огортає її диск.
Темна матерія, здається, ховається в нашій галактиці Молочний Шлях. Фото з сайту www.space.com.
Сучасні наукові прилади, встановлені на Дуже великому телескопі (Very Large Telescope) Європейської південної обсерваторії, дозволяють досліджувати дуже далекі галактики: ті, що сформувалися в розпалі епохи формування галактик — 10 мільярдів років тому. Окрім того, із застосуванням тривалих експозицій астрономи можуть досліджувати рух газу на всьому його шляху до зовнішніх дискових регіонів галактики.
Науковці з Інституту позаземної фізики імені Макса Планка змогли отримати окремі криві обертання шести дуже давніх галактик. Об’єднавши ці результати з вимірюваннями ще 100 галактик, вони побудували узагальнену криву розподілу швидкостей і виявили не тривіальну картину: в дисках ранніх галактик обертання зовнішніх частин неухильно зменшується з часом — а це однозначна підстава запідозрити там надзвичайно малу кількість темної енергії, аж до її повної відсутності.
Роль гало темної матерії
Отже, постає питання — як можна пояснити такі результати? Найперше, що треба взяти до уваги — в ранніх галактиках було багато газу, який постійно їх поповнював з міжгалактичного середовища. Ці газові резервуари «змушують» звичайну речовину ефективно тонути в осередках гало темної матерії, де вона накопичувалася.
Результат моделювання процесу утворення гало темної матерії з галактикою в щільному центрі. Існує також багато галактик із супутниками, кожна зі своїм власним субгало, яке видно на зображенні в ділянці високої щільності темної матерії. Фото з сайту www.space.com.
Можна розглядати варіант, коли в цей ранній період формування галактик темні ореоли речовини швидко росли і ще не перебували в стані рівноваги. Це означає, що ймовірність утворення галактики в регіонах з низькою концентрацією темної матерії могла бути вищою.
Космічні часові масштаби гігантські. Прояснення шляху еволюції галактик протягом всієї історії Всесвіту вимагає склеювання фрагментів їхнього життя, які стосуються різних епох. Безсумнівно, нові результати будуть заповнювати лагуни на велетенському полотні цієї космічної головоломки. Єдине, про що можна говорити з великою впевненістю, — дискові галактики, які ми спостерігаємо через три мільярди років після Великого Вибуху, помітно відмінні від нинішніх галактик типу Молочного Шляху.
Але важливо розуміти: порівнюючи ці дуже ранні галактики з їх теперішніми нащадками треба пам’ятати про те, що протягом десяти мільярдів років неперервно формувалися нові покоління зір. У пошуках нащадків древніх галактик було б доречніше поглянути на сучасні галактики, які більш масивні, ніж Молочний Шлях. Вони, зазвичай, мають сферичну форму й у них немає спіральних рукавів. Цікаво, що їх динаміка також вказує на низьку концентрацію темної матерії.
Науковці вважають, що важливими завданнями майбутніх досліджень є проблеми визначення особливостей еволюції галактик, а також імплементація результатів спостережень в сучасні модельні теорії взаємодії звичайної і темної матерії. Можливо, це навіть допоможе нам відповісти на найголовніше питання сучасності: що таке насправді темна матерія.
За інф. з сайту www.space.com підготував Георгій Ковальчук
