Астрономы обнаружили еще одну галактику, скорость вращения которой объясняется наличием одного только барионного вещества. Измеренные скорости согласуются с наличием небольшого количества темной материи, но оно не укладывается ни в одну космологическую модель формирования галактик. Препринт статьи выложен на arXiv.org, работа принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Предположение о существовании темной материи во Вселенной было сделано в 1930-е годы американским астрофизиком Фрицем Цвикки для объяснения расхождения между измеренной им скоростью движения галактик в скоплении Волосы Вероники и той скоростью, которую можно было ожидать исходя из наблюдаемой в телескоп суммарной массы вещества в скоплении. Присутствие в нем достаточного количества неизвестной ранее материи, которая и была названа темной материей, могло объяснить слишком высокую измеренную скорость галактик. Эта гипотеза была подтверждена в 1970-е годы наблюдениями астронома Веры Рубин, которая измерила скорости вращения звезд, находящихся на периферии галактики Андромеды, и обнаружила, что они близки к скоростям звезд вблизи центра, что опять же было несовместимо с наблюдаемой массой вещества в галактике. Как и в случае с наблюдениями Цвикки, проблема решалась наличием большого количества невидимой материи, причем ее масса должна была в десятки раз превышать массу барионного вещества. Существование темной материи подтверждается также особенностями неоднородности космического микроволнового фона и тем, что без этой субстанции галактики и их кластеры не успели бы сформироваться за время жизни Вселенной.

Учитывая важную роль, которую темная материя играет при объяснении динамики галактик и их скоплений, открытие (1, 2) галактик, не содержащих этого типа вещества, стало для ученых неожиданностью. Обнаруженные галактики относятся к типу ультрадиффузных карликовых галактик, с плотностью вещества и светимостью в сотни и тысячи раз меньше, чем у Млечного Пути. Позже, однако, аномальность этих галактик была поставлена под сомнение: оказалось, что до одной из них астрономы неправильно измерили расстояние, что привело к неправильной оценке масс разных типов вещества в ней, а из второй темная материя могла быть вытянута соседней массивной галактикой. Казалось бы, эти корректировки решили проблему существования галактик без темной материи.

Однако в 2021 году группа астрофизиков из Великобритании, Нидерландов и США под руководством Павела Мансеры Пиньи (Pavel E. Mancera Piña) из Гронингенского университета и института ASTRON обнаружила галактику AGC 114905, в которой также нет или почти нет темной материи. Эта галактика расположена на расстоянии 76±5 мегапарсек от Земли и представляет собой диск, в котором плотность звезд затухает как e^-r/R при удалении от центра на расстояние r, а характерный масштаб расстояний R равен 1,79±0,04 килопарсека. Масса галактики равна (1,4±0,3)×10⁹ масс Солнца. Суммарное время наблюдения за галактикой с помощью телескопа VLA составило 40 часов в период с июля по октябрь 2020 года. Как и предыдущие два кандидата в галактики без темной материи, ультрадиффузная карликовая галактика AGC 114905 богата газом.

Исследователи измерили скорости вращения вещества в галактике, и оказалось, что для их объяснения не нужно никакой темной материи — хватает и обычного барионного вещества, сосредоточенного в звездах и межзвездном газе. Если темная материя в галактике и есть, то ее не в десятки раз больше, чем барионной, как в большинстве галактик (или хотя бы в 5, как во Вселенной в среднем), а приблизительно в шесть раз меньше, что никак не укладывается в современные космологические модели формирования галактик.

Ученые считают, что длительное и тщательное наблюдение за галактикой AGC 114905, которое они вели, исключает возможность существенной ошибки в определении расстояния до нее — а именно это стало причиной ошибочного вывода об отсутствии темной материи в одном из предыдущих случаев. Также в окрестностях AGC 114905 нет и достаточно массивного компаньона, который мог бы вытянуть из нее темную материю. Еще одно потенциальное разрешение загадки с необычно малой массой темной материи в галактике — это очень большой размер гало при очень малой его плотности, но это, как и уже упомянутая низкая плотность сама по себе, не укладывается в современное понимание процесса образования галактик. Для проверки этой гипотезы необходимо измерить скорости движения вещества в галактике на большем расстоянии от центра, но исследователи считают это решение крайне маловероятным.

Иногда для объяснения отсутствия наблюдений частиц темной материи в лабораторных экспериментах используется гипотеза, утверждающая, что темной материи не существует, а противоречие наблюдаемой скорости движения вещества в галактиках и предсказаний теории объясняется тем, что теорию гравитации необходимо модифицировать на галактических масштабах. Эта теория называется Модифицированная ньютоновская динамика (MOND). Однако предсказания этой теории тоже сильно расходятся с наблюдениями за AGC 114905.

Исследователи называют основным возможным источником ошибки неправильную оценку угла наклона галактики, но указывают на то, что для согласования данных наблюдений за AGC 114905 с существующим пониманием космологии эта ошибка должна быть неправдоподобно велика. Тем более, что в последнее время появились еще пять кандидатов в галактики без темной материи, которые имеют разный наклон по отношению к линии наблюдения за ними с Земли. Ученые считают, что для подтверждения отсутствия темной материи в некоторых карликовых ультрадиффузных галактиках требуются дальнейшие астрономические наблюдения.

Подробно об открытии темной материи, ее свойствах и способах обнаружения можно прочитать в нашем материале «Невидимый цемент Вселенной».

Андрей Фельдман