Самая легкая галактика

Галактика, в которой мы живём, – Млечный путь – настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звёзд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.

Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака – крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооружённым глазом.

В самых крохотных же спутниках едва набирается несколько тысяч звёзд, и непосредственно увидеть их не получится даже через самый крупный телескоп. Звёзды этих карликов просто теряются на изображении среди мириад светил нашей Галактики. В таких случаях астрономам приходится восстанавливать трёхмерную структуру всего звёздного поля, и иногда они с удивлением обнаруживают, что рассыпанные по полю зрения звёзды на деле находятся далеко за границей Млечного пути, превращаясь вдруг в карликовую галактику.

Благодаря огромному массиву данных Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) и возросшей мощности компьютеров и алгоритмов делать это в последние годы стало проще, и половина упомянутых выше 23 спутников Млечного пути открыта именно таким образом. Приятно отметить, что большая их часть обнаружена выпускниками Московского университета Василием Белокуровым и Сергеем Копосовым, работающими сейчас в Великобритании и Германии. Недавно им и их коллегам удалось найти даже крохотную галактику, сопровождающую другой карлик в его движении вокруг Млечного пути.

Учёные под руководством Луиса Стригари из Калифорнийского университета смогли измерить массы 18 спутников нашей Галактики. Самые крупные из сателлитов – например, Большое и Малое Магеллановы облака – в список Стригари и его коллег не попали: о них всё давно известно. Однако и те 18 галактик, что остались, невероятно разнообразны. Например, самый яркий спутник в этом списке – карликовая галактика в созвездии Печи – светится, как 20 миллионов солнц. Светимость же самой скромной галактики – Уилман-1, находящейся в созвездии Большой Медведицы, – не дотягивает даже до тысячи солнечных.

Тем не менее, масса таких разных спутников оказалась одинаковой – 10 миллионов масс Солнца.

Разброс значений – всего в полтора-два раза в ту и другую сторону, и это при разнице светимостей на 4 с лишним порядка! Результаты работы опубликованы в последнем номере Nature.

То обстоятельство, что галактики весят куда больше всех входящих в них звёзд и газа, уже полвека не удивляет астрономов. Большая часть массы в нашей Вселенной – это так называемое тёмное вещество, или тёмная материя. Более того, считается, что если бы не эта загадочная материя, физическую природу которой пока никто не знает, галактики, как мы их знаем, вообще не смогли бы образоваться – силы притяжения их вещества не хватило бы, чтобы собрать на себя достаточно газа и сформировать звёзды.

Не новость и то обстоятельство, что в карликовых галактиках доля тёмной материи гораздо больше. Эта тенденция давно подмечена: например, в гигантском Млечном пути тёмной материи примерно 90%, а в карликовых галактиках её доля зашкаливает за 99%.

Самый интересный результат – это именно измерение минимальной массы галактики. Поскольку Стригари и его коллеги изучали самые хиленькие карликовые сфероидальные спутники Млечного пути, можно считать, что то значение, которое они нащупали, – и есть тот самый минимум. Учёные даже проверили, не может ли значение массы галактик, которое они измерили по скорости движения звёзд в них, быть искажено влиянием Млечного пути. Никаких признаков тому найти не удалось, а значит, скорее всего, галактик легче 10⁷ масс Солнца действительно нет.

Это минимальное значение может пролить свет на три вещи: процессы образования звёзд и галактик, природу тёмной материи и законы гравитации.

И если среди физиков найдётся совсем немного сомневающихся в необходимости уточнять законы гравитации, то каждая крупица знаний о звёздообразовании или физической природе тёмной материи – на вес золота. Звёздообразование – слишком сложное явление, в которое одновременно вовлечены столько физических процессов, что не то что описать аналитически, но даже тупо смоделировать все их подробности в памяти компьютера пока не удаётся. Природа же тёмной материи – вообще тайна за семью печатями. Из каких частиц она состоит, каковы их свойства, почему они не взаимодействуют с обычным веществом иначе как через силу тяготения и взаимодействуют ли частицы тёмной материи друг с другом – всё это совершенно не известно.

Если исключить вариант с изменением законов гравитации в таких масштабах, то из существования минимальной массы галактик может сделать два альтернативных вывода.

Либо в скоплениях тёмной материи меньших масс не образуются звёзды, и эти «галактики» так и остаются тёмными, либо сгустков тёмной материи легче 10 миллионов солнечных масс просто нет.

И тот, и другой вариант, с точки зрения современной физики, не исключены и грубо соответствуют теориям так называемых холодной и тёплой тёмной материи. (Последнюю не надо путать с горячей тёмной материей, от которой учёные отказались в 80–90-х годах прошлого века.)

Теория холодной тёмной материи предполагает, что частицы, её составляющие, достаточно массивны и движутся с очень небольшими скоростями. Такая тёмная материя может образовывать сгустки самых разных масс, причём происходит это последовательно и иерархически. Сначала образуются микрогало, масса которых меньше земной, потом они собираются в кучки, те – в группы и так далее вплоть до масс карликовых галактик. Карликовые галактики, притянув на себя газ из обычного вещества, собираются в галактики полноценные, те за миллиарды лет сливаются в гигантские спиральные образования вроде Млечного пути или Туманности Андромеды, а эти гиганты уже сливаются в массивные эллиптические галактики, вокруг которых к тому времени уже скапливаются огромные скопления галактик.

Тот факт, что мы не видим галактик массой менее 10⁷ солнечных масс, с точки зрения этой теории, означает, что для запуска процесса звёздообразования необходимо набрать не меньшее количество массы в пределах одного сгустка тёмной материи. Такое объяснение очень хорошо согласуется с другим наблюдательным фактом: первые звёзды в нашей Вселенной возникли, судя по всему, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, давшего ей начало. До этого момента наш мир наполнял по большей части нейтральный водород, а после атомы в межгалактическом пространстве распались на отдельные ядра и электроны – как говорят астрономы, произошла реионизация.

И именно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, в соответствии с теорией холодной тёмной материи, должны были появиться первые сгустки материи массой в 10 миллионов масс Солнца (точнее, определённой плотности, смотрите выше). Тем не менее, такое совпадение нельзя воспринимать, как прямое подтверждение варианта с холодной тёмной материей. Во-первых, никто не гарантирует, что реионизацию вызвали именно звёзды, а не квазары, к примеру. Кроме того, чтобы уверенно говорить о чём-то в данном случае, неплохо бы сначала всё-таки понять, почему для появления звёзд нужны именно сгустки в 10 миллионов раз массивнее Солнца.

Для «тёплой» тёмной материи наличие минимальной массы – прямое следствие из теории.

В этом случае предполагается, что тёмную материю образуют относительно лёгкие частицы, движущиеся с большими скоростями. Их быстрое движение просто не позволяет создавать стабильные сгустки небольших размеров – частицы проскакивают их быстрее, чем успевают почувствовать притяжение друг друга. При этом теория даёт чёткое соотношение между минимальной массой стабильных сгустков и массами отдельных частиц. Значению 10⁷ масс Солнца соответствуют частицы с энергией покоя в несколько кэВ, то есть в сотню-другую раз легче электрона.

Как искать такие частицы в лаборатории – пока никто не знает. Учёные надеются увидеть следы появления частиц тёмной материи в данных, которые получит Большой адронный коллайдер (LHC), старт которого запланирован наступающей осенью. Тем не менее, он скорее «заточен» под тяжёлые элементы холодной тёмной материи, чем под лёгкие элементы тёплой. Так что там скорее удастся найти подтверждение холодной теории, которая, кстати, до сих пор остаётся общепринятой.

Не в пользу теории тёплой материи и предварительные результаты эксперимента PAMELA на борту Международной космической станции.

Уже не первую неделю астрофизиков будоражат слухи, что этому прибору удалось найти избыток позитронов в составе первичных космических лучей. Наиболее естественное объяснение такому избытку – распад или аннигиляция частиц тёмной материи в центре нашей галактики, конечным итогом которого является образование электронов и позитронов. Поскольку электроны в сотни раз массивнее предполагаемых частиц тёплой тёмной материи, образовываться из последних они не могут. Тем не менее, слухи об этих результатах остаются слухами, и из конференции в конференцию демонстрируя слайды, на которых виден этот избыток, авторы международного эксперимента отказываются что-либо публиковать.