К тёмной материи и тёмной энергии добавьте «тёмные галактики» — скопления звёзд, настолько разрозненных и тусклых, что их практически не видно.

Как назвать галактику без звёзд?

В январе 2024 радиоастрономы объявили, что обнаружили самую тёмную галактику из всех, что когда-либо видели, — облако водородного газа, напоминающее нашу собственную галактику Млечный Путь по многим параметрам, таким как масса и скорость вращения, но только без звёзд, которые можно было бы различить.

«Возможно, мы открыли первичную галактику — настолько рассеянную, что в ней не успели образоваться звёзды», — сказала Карен О'Нил из обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии на пресс-конференции в рамках заседания Американского астрономического общества в Новом Орлеане 8 января.

На той же неделе группа испанских астрономов под руководством Мирейи Монтес, научного сотрудника Института астрофизики Канарских островов, сообщила об открытии ещё одной почти беззвёздной галактики, которую они назвали Nube, что в переводе с испанского означает «облако».

«С нашими нынешними знаниями мы не понимаем, как может существовать галактика с такими экстремальными характеристиками», — сказала доктор Монтес в заявлении, опубликованном институтом. Доктор Монтес — первый автор новой работы, которая была опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Итак, к «тёмной материи», «тёмной энергии» и другим тёмным терминам, уже вошедшим в космический лексикон, мы можем добавить «тёмные галактики».

Тёмные галактики — это образования, звёзды в которых настолько разрозненные и тусклые, что их свет невозможно различить иначе, как в виде тонкой прозрачной дымки, в которой, кажется, вообще нет звёзд. (Вначале тёмные галактики называли «галактиками с низкой поверхностной яркостью» или «ультрадиффузными галактиками», но время и жаргон не стоят на месте.) По мере того как астрономы продолжают исследовать небо с помощью более мощных и умных «глаз», тёмные галактики стали появляться всё чаще, бросая вызов давно устоявшимся взглядам на формирование и эволюцию галактик.

Случайная галактика

Эти тусклые призраки трудно найти и ещё труднее изучить, ведь для того, чтобы сфокусироваться на их видимом звёздном свете, требуются часы или дни наблюдений. Один из способов — просканировать небеса с помощью радиотелескопов, настроенных на частоту межзвёздного водородного газа, который пронизывает галактики.

Доктор О'Нил участвовал в таком исследовании около 350 галактик с низкой поверхностной яркостью, в котором были задействованы различные телескопы. «Я неправильно ввела координаты галактики, которую собиралась наблюдать, в результате чего телескоп был направлен в другую часть неба, отличную от первоначальной», — рассказала она недавно в своём письме по электронной почте. Телескоп остановился на таком объекте, которого она никогда раньше не видела.

«Это галактика, состоящая только из газа — в ней нет видимых звёзд, — говорит она. — Звёзды могут быть там, просто мы их не видим».

Галактика, известная как J0613+52, находится на расстоянии около 270 миллионов световых лет от нас. Она плавает среди первозданного водорода в два миллиарда солнечных масс, который образовался во время Большого взрыва — но в этой галактике не образуется ни одной звезды, вероятно, потому, что газ слишком рассеян, чтобы сгуститься в облака, которые становятся звёздами. Более того, поблизости нет галактик, которые могли бы гравитационно повлиять на рассматриваемую, и запустить в ней процесс комкования материи.

«J0613+52 кажется одновременно и непотревоженной, и недоразвитой, — сказал доктор О'Нил. — Это может быть наше первое открытие близлежащей галактики, состоящей только из первобытного газа».

Уменьшенное Nube

Составное изображение области вокруг галактики Nube с чёрно-белой версией на заднем плане и цветной на переднем, чтобы выделить Nube в центре.

Другая новая тёмная галактика, Nube, гораздо меньше J0613+52, но не менее интригующая, говорит доктор Монтес.

Название ей предложила 5-летняя дочь её коллеги Игнасио Трухильо, потому что звёзды в галактике разбросаны по такому большому объёму, что их скопление практически невозможно обнаружить.

Доктор Трухильо просматривал несколько снимков, сделанных в рамках Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey), который уже давно занимается изучением Вселенной, когда увидел небольшое загадочное пятно света. Наведя на тусклый участок света и задержав на нём Большой Канарский телескоп, крупнейший на сегодняшний день оптический телескоп в мире, он пришёл к выводу, что это маленькая галактика. Она была настолько прозрачной, что за ней можно было разглядеть другие, более далёкие галактики.

По оценкам команды, Nube — карликовая галактика, в 10 раз менее яркая, чем другие галактики такого типа, но при этом в 10 раз больше других галактик с сопоставимым количеством звёзд.

«Чтобы показать, что это значит для тех, кто хоть немного знаком с астрономией, скажу, что эта галактика всего на треть меньше Млечного Пути, но её масса близка к массе Малого Магелланова Облака», — сказала она, имея в виду галактику, которая является спутником Млечного Пути и видна в Южном полушарии.

Невидимые подпорки

За последнее столетие, начиная с работ Фрица Цвикки, швейцарского астронома болгарского происхождения из Калифорнийского технологического института, астрономы постепенно пришли к выводу, что большая часть Вселенной состоит из того, что мы не можем увидеть. Галактики окутаны облаками так называемой тёмной материи, которой по массе больше, чем обычной атомной материи, из которой состоим и мы, и звёзды, в соотношении 6 к 1. Никто не знает, что такое тёмная материя, но её гравитация — это то, что стягивает обычную материю в облака, которые затем превращаются в звёзды и галактики.

Последние 40 лет преобладает мнение, что тёмная материя состоит из гипотетических, экзотических частиц, называемых слабо взаимодействующими массивными частицами, или вимпами. Оставшиеся после Большого взрыва вимпы невидимы, они медленно двигаются по сравнению со скоростью света, и их можно обнаружить только благодаря их гравитационному воздействию на другие объекты. В компьютерных симуляциях эта «холодная тёмная материя» воспроизводит крупномасштабные структуры, наблюдаемые во Вселенной, такие как галактики и скопления галактик.

Но при компьютерном моделировании структур меньшего масштаба эта модель тёмной материи перестаёт работать: например, в карликовых галактиках такая тёмная материя должна порождать более высокие концентрации звёзд в центре, чем наблюдается на самом деле. Многие астрофизики объясняют это несоответствие неспособностью моделировать сложные, беспорядочные явления, такие как ударные волны и магнитные поля — так называемую гастрофизику — которые возникают, когда атомы сближаются друг с другом.

Более того, физикам частиц не удалось получить или обнаружить в лаборатории ни одной из этих гипотетических частиц. Некоторые учёные предполагают существование других версий тёмной материи. К ним относятся «размытая» или «тёплая» тёмная материя, состоящая из гипотетических сверхлёгких частиц, называемых аксионами, и даже целый «тёмный сектор» невидимых частиц и сил, которые могли бы создавать галактики с другим отпечатком.

Изображение области вокруг Nube, полученное в ходе Слоановского цифрового обзора неба, с ранее известными галактиками в поле зрения. На вставке показано, как Nube выглядит на изображениях с разной предельной поверхностной яркостью.

Увеличение галактик и других объектов в окрестностях почти невидимой галактики Nube. Линии указывают на три вида одной галактики на вставке. Другие галактики обозначены их названиями, например UGC 931 и Nube.

Изучение тёмных галактик даёт уникальную возможность исследовать происхождение и эволюцию галактик и проверить идеи о тёмной материи, которая их пронизывает.

По словам доктора Монтеса, благодаря оптической дымке в Nube астрономы могут увидеть форму гало из тёмной материи, которое лежит в основе карликовой галактики. Эта форма, напоминающая банан, сигару или доску для сёрфинга, кажется несовместимой с предсказанным поведением холодной тёмной материи и больше соответствует «разреженной» [fuzzy] тёмной материи. Такой вывод произвёл бы революцию в физике и космологии, но до окончательного решения ещё далеко.

Джеремайя П. Острикер, эксперт Колумбийского университета по эволюции и структуре галактик, согласен с этим. По его словам, модель холодной тёмной материи предсказывает, что в галактиках с малой массой должно быть больше звёзд в центре галактики и всё меньше к краям. Но другие типы тёмной материи могут сгущаться иначе, что приводит к более равномерному распределению звёздного света.

«Эти новые системы с низкой поверхностной яркостью лучше согласуются с разреженной тёмной материей, чем с холодной тёмной материей», — сказал он в своём письме.

Доктор Монтес и её соавторы в этом не уверены. «Хотя разреженная тёмная материя могла бы снять некоторые мелкомасштабные напряжения, возникающие в сценарии холодной тёмной материи, для оценки этой модели необходима дополнительная работа», — пишут они в своей статье.

Доктор О'Нил и её команда надеются обнаружить видимый звёздный свет от невидимой галактики J0613+52. Это поможет им выяснить, какие звёзды населяют такую галактику. «Если мы не обнаружим его, это тоже будет интересно, так как будет означать, что мы обнаружили нечто, чьё звёздное содержимое гораздо более рассеянное, чем всё, что наблюдалось до сих пор», — сказала она.

А если они ничего не найдут? В какой момент что-то становится слишком тёмным, чтобы называться галактикой? «Это очень интересный вопрос», — сказала она. Традиционно галактикой называли скопление звёзд и газа. Понятие «тёмной материи» появилось позже.

«Теперь кажется, что звёзды уже необязательно должны участвовать в этом определении, — говорит она. — Этот новый тип объектов открывает новые возможности и заставляет нас пересмотреть представление о том, что такое галактика».