Журнал «Вокруг Света» №03 за 2007 год - Вокруг Света

Модель столкновения спиральных галактик. Третий кадр очень напоминает галактики Мышки (Т — время в миллионах лет)

Охота на темную материю

Еще в начале 1970-х годов появились серьезные доводы в пользу того, что галактики помимо звезд и газа содержат так называемые темные гало. Теоретические аргументы следовали из соображений устойчивости звездных дисков спиральных галактик, наблюдательные — из больших, не спадающих к краю скоростей вращения газа на далекой периферии галактических дисков (звезд там уже почти нет, и поэтому скорость вращения определяют по наблюдениям газа). Если бы вся масса галактики содержалась преимущественно в звездах, то орбитальные скорости газовых облаков, расположенных за пределами звездного диска, становились бы с расстоянием все меньше и меньше. Именно это наблюдается у планет в Солнечной системе, где масса в основном сосредоточена в Солнце. В галактиках это зачастую не так, что указывает на наличие какого-то дополнительного, массивного, а главное — протяженного компонента, в чьем гравитационном поле газовые облака приобретают большие скорости.

Численные модели звездных дисков также преподносили сюрпризы. Диски оказались очень «хрупкими» образованиями — они быстро и порой катастрофически изменяли свою структуру, самопроизвольно сворачиваясь из плоской и круглой лепешки в батон, по-научному — бар. Ситуация отчасти прояснилась, когда в математическую модель галактики ввели массивное темное гало, не дающее вклада в ее общую светимость и проявляющее себя лишь через гравитационное воздействие на звездную подсистему. О структуре, массе и других параметрах темных гало мы можем судить лишь по косвенным признакам.

  

Результаты проекта Millenium Simulation. Моделировалось движение 10 млрд материальных точек на протяжении 13 млрд лет. На верхнем кадре каждое яркое пятнышко соответствует галактике 

Один из способов получить информацию о строении темных гало — изучение протяженных структур, которые образуются у галактик при их взаимодействии. Например, иногда при близком пролете одна галактика «крадет» у другой часть газа, «наматывая» его на себя в виде протяженного кольца. Если повезет и кольцо окажется перпендикулярным плоскости вращения галактики, то такая структура — полярное кольцо — может довольно долго просуществовать не разрушаясь. Но сам процесс формирования подобных деталей сильно зависит от распределения массы на больших расстояниях от центра галактики, где звезд уже почти нет. Например, существование протяженных полярных колец удается объяснить, только если масса темных гало будет примерно вдвое превышать массу светящегося вещества галактики.

Приливные хвосты также служат надежными индикаторами присутствия темной материи в периферийных областях галактик. Их можно назвать термометрами «наоборот»: чем больше масса темного вещества, тем короче «ртутный столбик», в роли которого выступает приливной хвост.

Два замечательных открытия внегалактической астрономии — существование темной материи и мержинг галактик — сразу взяли на вооружение космологи, тем более что ряд космологических наблюдательных тестов тоже указывал: темного вещества в природе примерно на порядок больше, чем обычного. Пожалуй, первое свидетельство существования скрытой массы было получено еще в 1933 году, когда Ф. Цвикки заметил, что галактики в скоплении Волос Вероники двигаются быстрее, чем ожидалось, а значит, должна быть какая-то невидимая масса, удерживающая их от разлета. Природа темной материи остается неизвестной, поэтому обычно говорят о некоем абстрактном холодном темном веществе (cold dark matter, CDM), которое с обычным веществом взаимодействует только гравитационно. Но именно оно благодаря своей большой массе служит тем активным фоном, на котором разыгрываются все сценарии зарождения и роста структур во Вселенной. Обычное же вещество лишь пассивно следует предлагаемому сценарию.

Эти представления легли в основу так называемого сценария иерархического скучивания. По нему первичные возмущения плотности темной материи возникают за счет гравитационной неустойчивости еще в молодой Вселенной, а затем умножаются, сливаясь друг с другом. В итоге образуется множество гравитационно-связанных темных гало, различающихся по массе и угловому (вращательному) моменту. Газ скатывается в гравитационные ямы темных гало (этот процесс называется аккрецией), что и приводит к появлению галактик. История слияний и аккреции каждого сгустка темной материи во многом определяет тип галактики, которая в нем зарождается.

Привлекательность сценария иерархического скучивания в том, что он очень неплохо описывает крупномасштабное распределение галактик. Самый впечатляющий численный эксперимент, проведенный в рамках этого сценария, носит название Millenium Simulation. О его результатах астрономы доложили в 2005 году. В эксперименте решалась задача N тел для 10 миллиардов (!) частиц в кубике с ребром 1,5 миллиарда парсек. В итоге удалось проследить эволюцию перепадов плотности темной материи от момента, когда Вселенной было всего 120 миллионов лет, до наших дней. За это время почти половина темной материи успела собраться в темные гало различных размеров, которых насчитывалось около 18 миллионов штук. И хотя полного и безоговорочного согласия с результатами наблюдений крупномасштабной структуры получить не удалось, все еще впереди.

В поисках пропавших карликов

Сценарий иерархического скучивания предсказывает, что в гало больших спиральных галактик, вроде нашей, должны существовать сотни «мини-ям», служащих зародышами карликовых галактик-спутников. Отсутствие такого количества небольших спутников создает некоторые трудности для стандартной космологии. Однако не исключено, что все дело просто в недооценке реального числа карликовых галактик. Именно поэтому так важен их целенаправленный поиск. С появлением больших цифровых обзоров неба, хранящихся в специальных электронных архивах и доступных всем желающим, астрономы все чаще ведут такой поиск не на небе, а на экране монитора.

В 2002 году команда исследователей под руководством Бет Вилман начала поиск неизвестных спутников Млечного Пути в Слоуновском цифровом обзоре неба. Поскольку поверхностная яркость у них ожидалась очень низкая — в сотни раз слабее ночного свечения атмосферы, — искать решили участки неба со статистически значимым избытком далеких красных гигантов — ярких звезд, находящихся на завершающей стадии своей эволюции. Первый успех пришел в марте 2005 года. В созвездии Большой Медведицы на расстоянии 300 тысяч световых лет от нас была открыта карликовая сфероидальная галактика. Она стала тринадцатым спутником Млечного Пути, причем с рекордно низкой светимостью — вместе все ее звезды излучают как один сверхгигант, например Денеб — ярчайшая звезда в созвездии Лебедя. Обнаружить эту галактику удалось на пределе возможностей метода. Чрезвычайно урожайным на спутники нашей Галактики оказался 2006 год, когда двумя другими командами исследователей было открыто сразу семь карликовых сфероидальных галактик вокруг Млечного Пути. И это, по-видимому, не предел.

Итак, галактики вырастают из маленьких систем, которые через множественные слияния образуют большие. Одновременно с процессом слияния происходит «осаждение» (аккреция) газа и маленьких галактик-спутников на большие галактики. Пока до конца неясно, в какой степени оба эти процесса определяют современный взрослый вид галактик — хаббловские типы.

Но и после взросления галактики продолжают меняться. С одной стороны, изменения вызываются гравитационными взаимодействиями между ними, которые могут даже приводить к смене типа галактики, а с другой — медленными процессами динамической эволюции уже вполне сформировавшихся объектов. Например, звездные диски спиральных галактик подвержены разного рода неустойчивостям. В них могут самопроизвольно образовываться бары«перемычки», при посредстве которых газ эффективно «сгоняется» в центральные области галактик, что ведет к перераспределению вещества в системе. Сами бары также медленно эволюционируют — растут как в длину, так и в ширину. Да и сама спиральная структура галактики — это результат действия неустойчивости.

Когда-то Хаббл разделил галактики следующим образом. Эллиптические были отнесены к ранним типам, а линейка спиральных — ко все более и более поздним. Возможно, из-за этого «камертону Хаббла» придавали эволюционный смысл. Однако динамическая эволюция галактик идет, скорее, в обратном направлении — от поздних типов к ранним в сторону медленного роста центральной сфероидальной подсистемы — балджа. Но так или иначе все три процесса — слияния, аккреции и медленной вековой эволюции — ответственны за внешний вид галактик. Многое в этой картине мы уже понимаем, но еще больше нам предстоит узнать и понять.