Складзены выгляд цудоўнай галактыкі Кентаўра А, бліжэйшай актыўнай галактыкі да Млечнага Шляху. Каля гэтай галактыкі было вымерана 16 спадарожнікавых галактык, прычым 14 з іх ляжалі ў плоскасці, якая верціцца адначасова, не паддаючыся наіўнаму чаканню мадэлявання халоднай цёмнай матэрыі. Крэдыт на малюнак: ESO / WFI (аптычны); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss і інш. (Субміліметры); NASA / CXC / CfA / R.Kraft і інш. (Рэнтген).

Спадарожнікавыя галактыкі жывуць у той жа плоскасці, што і іх гаспадары, якія не паддаюцца прагнозам цёмнай матэрыі

Але ці сапраўды гэта праблема для тэорыі? Ці гэта фізіка на дапамогу?

Цёмная матэрыя - адна з самых магутных, але адна з самых супярэчлівых ідэй у сучаснай фізіцы. Мы бачым бясспрэчныя доказы таго, што звычайная матэрыя, якая існуе ў Сусвеце, складаецца з пратонаў, нейтронаў і электронаў, не можа самастойна растлумачыць поўны набор гравітацыйных уздзеянняў. Даданне дадатковай масы крыніц з пэўнымі ўласцівасцямі, напрыклад, цёмнай матэрыі, прыводзіць практычна ўсе прагнозы гравітацыі ў адпаведнасць з тым, што мы бачым. І ўсё ж адным з прагнозаў цёмнай матэрыі з'яўляецца тое, што маленькія карлікавыя спадарожнікавыя галактыкі павінны ўтварацца ў вялікім арэоле вакол вялікіх галактык. Аднак вакол Млечнага Шляху, Андрамеды і цяпер Кентаўра А, яны не жывуць у арэоле, а на дыску. Даследчыкі, якія праводзяць апошняе даследаванне, сцвярджаюць, што гэта асноўная праблема стандартнай карціны касмалогіі халоднай цёмнай матэрыі. Але ці сапраўды гэта? Для высвятлення неабходна паглыблены погляд.

Падрабязны погляд на Сусвет паказвае, што ён зроблены з матэрыі, а не антыматэрыі, што цёмная матэрыя і цёмная энергія неабходныя, і што мы не ведаем паходжання любой з гэтых загадак. Малюнак: Крыс Блэйк і Сэм Мурфілд.

Кожны раз, калі ў вас ёсць пераканаўчая і простая тэорыя, вырашаецца мноства праблем, але фундаментальнае прагназаванне якіх можна выявіць толькі ўскосна, гэта абавязкова мае найсайеры. Напрыклад, касмічная інфляцыя тлумачыць паходжанне нашай Сусвету, але толькі яе наступныя вынікі можна ўбачыць сёння. Цёмная энергія выдатна тлумачыць паскоранае пашырэнне Сусвету, але невядомы спосаб даследаваць яе асноўную прычыну. І цёмная матэрыя раздражняльна тлумачыць цэлы набор касмалагічных назіранняў: ад дынамікі асобных галактык да маштабнай касмічнай павуціны да ваганняў рэшткавага святла Вялікага выбуху. Але ніхто ніколі не выяўляў часціцу цёмнай матэрыі. Магчыма, ніхто нават блізка не падыходзіць. Тым не менш, гэта не значыць, што цёмная матэрыя не рэальна; гэта азначае, што мы павінны быць вельмі асцярожнымі ў нашых аналізах.

У адпаведнасці з мадэлямі і мадэляваннямі ўсе галактыкі павінны быць убудаваны ў арэолы цёмнай матэрыі, шчыльнасць якіх дасягае максімуму ў галактычных цэнтрах. Аднак, як чакаецца, будзе прысутнічаць вялікая колькасць субархальных згусткаў, якія хаваюць мініяцюрныя галактыкі ўнутры. Размеркаванне іх павінна быць падобным на арэол, а не на дыск. Малюнак: NASA, ESA, T. Brown і J. Tumlinson (STScI).

Праблема спадарожнікавай галактыкі - сапраўдная загадка, бо тут шмат складаных фізікаў. Калі вы запускаеце мадэляванне цёмнай матэрыі, гэта універсальная асаблівасць, якая з цягам часу нарошчвае вялікія арэолы цёмнай матэрыі, якія зліваюцца паміж сабой, што адпавядае вялікім спіральным і эліптычным галактыкам, якія мы ведаем сёння. Але навакольныя іх меншыя суб-арэолы, якія з'яўляюцца ў мадэляванні ва ўсіх арыентацыях вакол большай галактыкі. На самай справе, на самай справе, маленькія спадарожнікавыя галактыкі мы бачым у плоскасці: той самай арбітальнай плоскасці, у якой знаходзіцца галоўны дыск галактыкі.

Карлікавыя галактыкі, знойдзеныя на арбіце вакол Кентаўра Галактыка дэманструе выразнае арыентаванне ў плоскасці галактыкі, што праблемамі, якія можна растлумачыць тэорыям МЧР. Малюнак: O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018).

Больш за тое, у той час як наіўнае чаканне таго, што гэтыя карлікавыя галактыкі таксама будуць дэманстраваць выпадковыя руху, тое, што мы назіраем, паказвае важкія доказы таго, што гэтыя спадарожнікі адначасова круцяцца з галоўнай галактыкай. Гэта было знойдзена спачатку для Млечнага Шляху і Андрамеды, і новыя даследаванні паказваюць, што гэта дакладна і для Кентаўра А, калі 14 з 16 выяўленых спадарожнікавых галактык, якія з'яўляюцца адначасова круціцца разам з цэнтральнай галактыкай.

Альбо нешта хавае гэтыя арэолы, нешта не так з імітацыямі, альбо нешта цёмнай матэрыяй не цалкам улічваецца. Давайце разгледзім кожную з магчымасцей.

Толькі прыблізна 1000 зорак прысутнічаюць ва ўсёй карлікавай галактыцы Segue 1 і Segue 3, якая мае гравітацыйную масу ў 600 000 сонцаў. Зоркі, якія складаюць карлікавы спадарожнік Segue 1, тут кружацца. Малюнак: Абсерваторыі Марла Геха і Кек.

1.) Гэтыя арэолы сапраўдныя, але карлікавых спадарожнікаў, якія не знаходзяцца на дыску, занадта цяжка. Праблема спадарожнікавага спадарожніка з'яўляецца даўняй праблемай у касмалогіі, паколькі мадэляванне МЧР даўно паказвае на значна больш карлікавых галактык вакол вялікіх галактык, чым мы выявілі. У апошні час значная колькасць ультра слабых карлікавых галактык была знойдзена, у асноўным, побач. Яны слабейшыя, чым нават адкрытыя зорныя кластары, знойдзеныя ў Млечным Шляху, і многія з іх маюць толькі сотні зорак, нягледзячы на ​​масы цёмнай матэрыі ў сотнях тысяч сонечных мас. Аднак гэта не цалкам тлумачыць праблему арыентацыі, паколькі плоскасць здаецца рэальнай.

Акрамя таго, аргумент таго, што гэтыя гномы будуць схаваны, павінен распаўсюджвацца толькі на Млечны Шлях, бо толькі яго плоскасць будзе засланяць спадарожнікі. Назіранне за спадарожнікамі Кентаўра і Андрамеды здаецца, што гэта супакоіць. Існуюць аргументы пра тое, ці з'яўляюцца ўсе назіраныя плоскасці дынамічна ўстойлівымі на працягу доўгага часу, але не падаецца, што маленькія, зніклыя карлікі могуць растлумачыць нечаканую плоскасць.

Маштабная праекцыя праз аб'ём Illustris пры z = 0, у цэнтры якога самы масіўны кластар, глыбінёй 15 Мпк / г. Паказвае шчыльнасць цёмнай матэрыі (злева), якая пераходзіць да шчыльнасці газу (справа). Маштабная структура Сусвету не можа быць растлумачана без цёмнай матэрыі, хаця існуе мноства мадыфікаваных гравітацыйных спроб. Аднак структуры меншага маштабу часта ствараюць праблемы для мадэлявання цёмнай матэрыі. Крэдыт малюнка: Супрацоўніцтва Illustris / Ілюстрацыя Ілюстрацыя.

2.) Мадэлявання, якія прадказваюць халоднае размеркаванне спадарожнікаў, з'яўляюцца памылковымі. Гэта патэнцыйнае тлумачэнне, якое трэба ўспрымаць вельмі сур'ёзна. У галактычнай эвалюцыі адбываецца вельмі вялікая колькасць працэсаў, уключаючы зліццё меншых галактык для стварэння вялікіх, падзенне матэрыі на гэтыя галактыкі, і патокі цёмнай і нармальнай матэрыі па касмічных нітках. Вядома, што гэтыя ніткі функцыянуюць як нейкая галактычная магістраль, якая накіроўвае маленькія галактыкі на вялікія галасы на працягу мільярдаў гадоў. Акрамя таго, ёсць эфекты зваротнай сувязі ад утварэння зорак, і ўзаемадзеянне газа, плазмы і выпраменьвання можа гуляць ролю, што не ўлічваецца ў стандартных мадэляваннях МЧР. Хало-падобнае размеркаванне можа быць не агульным прыкметай у рэшце рэшт, калі ўсе гэтыя іншыя фізічныя эфекты ўлічваюцца.

Як відаць у бачным святле, галактыка Кентаўр A выглядае як сумесь дыскавай і эліптычнай галактыкі. Назіранні спадарожнікаў, якія арбітуюць на ім, выклікаюць выклік звычайным тлумачэнні МЧР, незалежна ад таго, як вы выразалі яго. Крэдыт малюнка: Christian Wolf & SkyMapper Team / Аўстралійскі нацыянальны універсітэт.

3.) Штосьці не так з самой ідэяй цёмнай матэрыі. Пра адноснае значэнне пералічаных вышэй фізічных уздзеянняў вельмі жорстка абмяркоўваецца. Як адзначаюць самі аўтары новага дакумента: «Хоць мы і лічым, што кінематыка спадарожнікаў [Кентаўра] наўрад ці можа адбыцца выпадкова, гэта не дазваляе нам адразу зрабіць высновы аб яго згодзе з прагнозамі [халоднай цёмнай матэрыі ] касмалогія ». Самыя сучасныя мадэляванні не дазваляюць прайграць тое, што назіраецца вакол такіх галактык, як Кентаўр А, Млечны Шлях і Андрамеда, і аўтары цяперашняй працы сцвярджаюць, што такая напружанасць спрыяе альтэрнатыве тлумачэнню цёмнай матэрыі. Аўтары, як мяркуюць аўтары, магчыма, што гэтыя спадарожнікі ўзнікаюць у выніку гістарычнага буйнога зліцця двух галактык параўнальнага памеру. Гэта таксама вельмі спрэчная, але цікавая магчымасць.

Зліцця Галактыкі распаўсюджаныя, і з цягам часу ўсе гравітацыйна звязаныя галактыкі ў групах і кластарах з часам зліваюцца ў адну галактыку ў ядры кожнай звязанай структуры. Калі адбываюцца буйныя зліцці, вынік часта бывае гіганцкім эліптычным, але ніхто не ўпэўнены, што адбываецца да таго часу, як ідуць карлікавыя спадарожнікавыя галактыкі. Малюнак: А. Гай-Ям / Weizmann Inst. навукі / ESA / NASA.

У кожнай пункту гледжання ёсць некалькі доказаў, якія ёй пацвярджаюць, але цалкам зразумела, што прадказанне халоднага размеркавання ўсіх, акрамя самых маленькіх спадарожнікаў, - гэта не тое, што дае нам Сусвет. Зараз для трох вялікіх галактык - Млечнага Шляху, Андрамеды і Кентаўра А - выяўляюцца факты назірання, якія паказваюць, што карлікавыя спадарожнікавыя галактыкі з'яўляюцца ў плоскасці, навакольнай гэтыя вялікія. Акрамя таго, ёсць навокальныя доказы таго, што гэтыя карлікавыя галактыкі знаходзяцца ў руху разам з кручэннем вялікай галактыкі. Аднак, калі глядзіш на суседнюю Сусвет, тут ёсць важны фактар: на гэтыя галактыкі ёсць і мясцовыя патокі матэрыі, як звычайнай, так і цёмнай. Калі ёсць пераважны кірунак таго, як матэрыя трапляе ў гэтыя галактыкі, павінна быць пераважнае напрамак да карлікавых спадарожнікаў, якія становяцца звязанымі з імі.

На малюнку паказаны бягучы паток галактык - паток па касмічнай звышшарозе і на мосце да Панны, у рэгіёне вакол Млечнага Шляху, Андрамеды і Кентаўра А. Крэдыт малюнка: «Планы спадарожнікавых галактык і Касмічная павуцінне. , 'Ноам Лібескінд і інш., 2015.

У 2015 годзе каманда пад кіраўніцтвам Ноама Лібескінда выявіла менавіта гэты эфект. "Мы ўпершыню правялі назіральную праверку таго, што буйныя ніткавыя супермагістралі накіроўваюць карлікавыя галактыкі па ўсім космасе ўздоўж цудоўных мастоў цёмнай матэрыі", - сказаў тады Лібескінд. Цяпер, амаль праз тры гады, карціна пацвярджаецца больш высокімі дадзенымі з яшчэ большай дакладнасцю. Няма ніякіх дадатковых прыкмет таго, што цёмная матэрыя больш-менш верагодная, чым раней у гэтым новым даследаванні. Тым не менш, цяперашняя каманда больш скептычна ставіцца да МЧР у цэлым і больш схільная шукаць альтэрнатыўныя тлумачэнні, такія як буйныя зліцці, для паходжання плоскіх спадарожнікаў.

Чатыры сутыкненні галактыкі, якія сутыкаюцца, паказваюць падзел рэнтгенаўскіх прамянёў (ружовы) і гравітацыі (сіні), якія сведчаць аб цёмнай матэрыі. У вялікіх маштабах неабходны МЧР, але ў малых маштабах ён не такі паспяховы, як нам падабаецца. Малюнак: рэнтген: NASA / CXC / UVic. / А. Махдаві і інш. Аптычныя / Аб'ектывы: CFHT / UVic. / A. Махдаві і інш. (уверсе злева); Рэнтген: NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson і інш .; Аптычныя: NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson і інш. (уверсе справа); ESA / XMM-Ньютан / F. Gastaldello (INAF / IASF, Мілана, Італія) / CFHTLS (злева знізу); Рэнтген: NASA, ESA, CXC, М. Брадак (Каліфарнійскі ўніверсітэт, Санта-Барбара) і С. Ален (Універсітэт Стэнфарда) (справа ніжэй).

У інтэрв'ю сааўтарам даследаванняў Марсэлам Паўлоўскім з Каліфарнійскага універсітэта ў Ірваіне ён распавёў пра наступнае:

"У вялікіх маштабах [CDM] сапраўды паспяховая. Я думаю, што ў цэлым мы павінны стаць больш разнастайнымі ў нашых падыходах. MOND, з іншага боку, вельмі паспяхова прагназуе дынаміку малых маштабаў. Я вельмі рады магчымасцям, якія аб'ядноўваюць поспехі абодвух. Звышцякая цёмная матэрыя - гэта адна такая цікавая магчымасць, якая дае вам маштабныя поспехі цёмнай матэрыі, а таксама прайгравае эфект MOND на дробных маштабах. Я думаю, што мы павінны заахвочваць і вывучаць гэтыя магчымасці далей. Я не думаю, што мы павінны адмаўляцца ад чаго-небудзь, але я думаю, што гэтай галіне трэба шукаць альтэрнатыўныя падыходы ".

Аднак, як толькі адкрыццё таго, што цяжкія элементы былі зроблены ў зорках, а не ў ранняй Сусвеце, не анулявала Вялікі выбух, магчыма, дзве канкуруючыя перспектывы абодва правільныя. Магчыма, што барыёнавыя рэчывы, якія ствараюць галактыку, цякуць у галактыкі па ніткападобных шляхах, што CDM нясе адказнасць за маштабную структуру і асаблівасці Сусвету, а таксама, што гэтыя карлікавыя спадарожнікі ўзнікаюць у выніку саміх буйных зліццяў, а не з прагнозаў CDM. Калі б гэта было так, аднак, мы б цалкам чакалі, што ў галактыках "выплеска" будуць пераважаць барыёны, а не цёмная матэрыя. Цікава, што карлікавыя спадарожнікавыя галактыкі паказваюць неадназначнасць: у некаторых выпадках вынікі супадаюць з прагназаваннем арэолаў МЧР, а ў іншых прагнозы МЧР, па-відаць, пераацэньваюць масу цёмнай матэрыі. Адзіная мадэль, якая ўлічвае поўны набор назіранняў, па-ранейшаму пазбягае нас.

Адрозніваецца фотамадэлямі ад мадэлявання зліцця галактык Млечны Шлях і Андрамеды. Калі адбываецца такое буйное зліццё, то, магчыма, выкідваецца вялікая колькасць смецця, што стварае спадарожнікавыя галактыкі, дзе пераважае звычайная матэрыя. Крэдыт малюнка: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas, A. Mellinger.

Дык хто правільны? Па меры таго, як мадэляванне ўдалося дадаць дадатковую дынаміку, напрыклад, узаемадзеянне цёмнай матэрыі / выпраменьвання / нармальнага рэчыва, зваротная сувязь адукацыі зорак, уласцівыя мясцовыя хуткасныя эфекты і многае іншае, яны лепш адпавядаюць назіранням, але ўсё яшчэ не ідэальна і, вядома, не паўсюдна. З іншага боку, альтэрнатывы цёмнай матэрыі па-ранейшаму церпяць тыя ж няўдачы пры спробе ўзнаўлення касмічнай павуціны, касмічнага мікрахвалевага фону або дынамікі сутыкнення кластараў галактык. Аднак важна захоўваць адкрыты розум да таго часу, пакуль не хапае доказаў курэння для CDM, а таксама памятаць, што гэта галаваломка, якая можа сказаць больш пра эвалюцыю і зліцці галактыкі, чым пра цёмную матэрыю. Як кажа Майкл Бойлан-Колчын, "вынікі могуць прывесці альбо да лепшага разумення фарміравання галактык у рамках мадэлі [халоднай цёмнай матэрыі], альбо да штуршку, каб звярнуць яе асноўныя здагадкі".

Дзякуючы поўнаму спектру сваіх поспехаў на ўсіх маштабах, цёмная матэрыя застаецца тут, па меншай меры, пакуль. Аднак фарміраванне і эвалюцыя галактык, асабліва на малых і меншых маштабах, застануцца актыўнай зонай даследаванняў з мноствам нявырашаных загадак на доўгія гады.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".