Нові спостереження свідчать про те, що 10 мільярдів років тому, тобто в епоху формування більшості галактик, в масивних галактиках з активним зореутворенням переважала «звичайна» баріонна речовина. Нині вплив загадкової темної матерії на галактики набагато більший. Несподіваний висновок про те, що в ранньому Всесвіті темної матерії було істотно менше, ніж тепер, зроблений на підставі опрацювання спостережних даних, отриманих на Дуже великому телескопі (Very Large Telescope) Європейської південної обсерваторії. Результати дослідження представлено в чотирьох статтях, одна з яких сьогодні опублікована в журналі Nature.
Схематичне зображення диска галактики, яка обертається в ранньому Всесвіті (праворуч) й в наш час (ліворуч). Спостереження, виконані з допомогою Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії, вказують на те, що дискові галактики в ранньому Всесвіті були менш схильні до впливу темної матерії. Унаслідок цього зовнішні частини далеких галактик обертаються повільніше як порівняти з аналогічними частинами галактик в локальному Всесвіті (тобто в наш час). Їх криві обертання зі збільшенням радіуса галактики не плоскі, а спадні. Фото з сайту www.eso.org.
Ми бачимо звичайну речовину Всесвіту в формі зір, газу, що світиться, і пилових хмар. Темна матерія не випромінює, не поглинає і не відбиває світла; вона проявляє себе лише через гравітаційний вплив на звичайну речовину. Тільки існуванням темної матерії можна пояснити, чому зовнішні частини близьких до нас спіральних галактик обертаються швидше, ніж це теоретично визначається спостережною масою звичайної речовини в цих галактиках [1].
Нещодавно міжнародна група астрономів під керівництвом Райнхарда Ґензеля (Reinhard Genzel) з Інституту позаземної фізики Макса Планка в Гархинзі (Німеччина) з допомогою детекторів KMOS і SINFONI, встановлених на Дуже великому телескопі (Very Large Telescope, VLT) Європейської південної обсерваторії в Чилі [2], виміряла обертання шести масивних галактик з активним зореутворенням в далекому Всесвіті, в епоху, коли утворилася більшість галактик, тобто 10 мільярдів років тому.
Результат їх вимірювань виявився вкрай несподіваним: на відміну від спіральних галактик в сучасному Всесвіті, зовнішні ділянки цих далеких галактик обертаються повільніше, ніж внутрішні, що означає, що там менше темної матерії, ніж передбачалося [3].
«Дивно не те, що швидкості обертання галактик виявилися непостійними, а те, що вони зменшуються з відстанню від центрів галактик», — зауважив Райнхард Ґензель, перший автор статті в журналі Nature. «Цьому може бути два пояснення. По-перше, можливо, що в більшості ранніх масивних галактик переважає звичайна речовина, а темна матерія грає набагато меншу роль, ніж в сучасному Всесвіті. По-друге, диски ранніх галактик, можливо, набагато більш турбулентні, ніж у спіральних галактик, які ми бачимо в нашому космічному довкіллі».
Мабуть, обидва ці ефекти проявляються суттєвіше в міру того, як астрономи проникають все глибше й глибше всередину раннього Всесвіту. Виходить, що через 3—4 млрд років після Великого Вибуху газ в галактиках встиг сконцентруватися в плоскі диски, що обертаються, а темна матерія утворювала навколо них сферичні гало, набагато протяжніші, ніж гало навколо нинішніх галактик. І, мабуть, минули ще мільярди років, перш ніж темна матерія сконденсувалася до такої міри, що її вплив став позначатися на швидкостях обертання зовнішніх ділянок сучасних галактичних дисків.
Таке пояснення узгоджується і з тим, що, як показують спостереження, в ранніх галактиках значно більше газу і вони значно компактніші, ніж сучасні.
Шість досліджених галактик належать до великої вибірки ста далеких галактичних дисків з активним зореутворенням, зображення яких отримано з використанням детекторів KMOS і SINFONI на VLT в обсерваторії Паранал в Чилі. На додаток до описаних вище вимірів окремих галактик, підсумовуванням слабких сигналів від інших галактик була отримана середня крива їх обертання, яка також показує, що швидкість обертання падає зі збільшенням відстані від центрів галактик. До тих же висновків привело і дослідження 240 галактичних дисків, в яких продовжуються активні процеси зореутворення.
Детальне моделювання показує, що в той час, як в сучасних галактиках звичайна речовина, зазвичай, становить приблизно половину маси, на найбільших червоних зміщеннях вона повністю визначає динаміку галактик.
Примітки
[1] Диск спіральної галактики робить один оберт за час порядку сотень мільйонів років. У ядрах спіральних галактик спостерігається висока концентрація зір, але з віддаленням від центра галактики щільність речовини, що світиться, падає. Якби маса галактики повністю визначалася звичайною речовиною, більш розріджені зовнішні частини галактик оберталися б повільніше, ніж щільні центральні. Але спостереження близьких до нас спіральних галактик показують, що їх зовнішні і внутрішні частини обертаються приблизно з однаковою швидкістю. Плоскі «криві обертання» свідчать про те, що в спіральних галактиках має бути багато несвітної речовини у формі гало з темної матерії, що оточує галактичний диск.
[2] Дані отримано з використанням спектрометрів інтегрального поля KMOS і SINFONI, змонтованих на Дуже великому телескопі Європейської південної обсерваторії в Чилі в рамках оглядів KMOS3D і SINS / zC-SINF. Уперше виконано таке повне й докладне дослідження динаміки великої кількості галактик в інтервалі червоних зміщень від z ~ 0,6 до 2,6, що відповідає 5 мільярдам років космічного часу.
[3] Цей новий результат не ставить під сумнів той факт, що темна матерія є фундаментальною компонентою Всесвіту і домінує над звичайною речовиною по масі. Його значення в тому, що темна матерія на ранніх етапах розвитку Всесвіту була розподілена в галактичних дисках і поза ними не так, як зараз.
Дізнатися більше: Результати дослідження представлені в статті «Strongly baryon dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago», R. Genzel і ін., яку оприлюднив журнал Nature.
За інф. з сайту www.eso.org підготував Георгій Ковальчук
