Наша Галактика виявилася екстраординарно бідною

Космічний телескоп “Гайя” дозволив оцінити швидкість руху рекордної кількості зірок у Чумацькому Шляху, і нові дані виявилися вкрай несподіваними. Річ не тільки в тому, що його маса впала в багато разів: стало зрозуміло, що сама структура Галактики не така, як думали раніше.

Приблизно півстоліття тому астрономи виявили, що зовнішні частини галактичних дисків поза Чумацьким Шляхом обертаються значно швидше, ніж мали б. Скажімо, у Сонячній системі планети, близькі до Сонця, обертаються швидко, а більш далекі – повільно, і це видається логічним наслідком ослаблення тяжіння світила, що діє на них. А ось в інших галактиках зовнішні області обертаються без убування швидкостей обертання – ніби їх розкручує якась величезна, але невидима маса (темна матерія).

Це спостереження зробило революцію в космології і в підсумку у фізиці (ми докладно писали про це раніше). Але оцінити, як йдуть справи зі швидкостями обертання в інших галактиках, виявилося набагато простіше, ніж зробити це “у себе вдома”.

Спостерігати за великим об’єктом, перебуваючи всередині нього, складно: наприклад, з нашого місця в Галактиці бачити інші її частини заважають не тільки пил і газ, а й центральна її частина (що знаходиться за нею – прямими спостереженнями перевірити дуже складно). Революцію в питанні зробив лише космічний телескоп “Гайя”, запущений 10 років тому, який працює в точці Лагранжа, за півтора мільйона кілометрів від Землі. Він може спостерігати понад мільярд зірок – рекордний показник в історії астрономії. Однак опрацювання такого обсягу даних займає багато часу і дуже складне.

Тому тільки зараз у журналі Astronomy and Astrophysics вийшла стаття, що підсумовує дані “Гайї” про швидкості обертання зірок у диску Чумацького Шляху. Вона багато в чому спирається на результати спостережень і роботи, що вийшли з цієї теми раніше. Автори нової статті склали криві, що показують швидкості обертання зірок у різних частинах нашої галактики. Оскільки ці швидкості визначаються гравітацією, що діє на ці зірки, саме за ними можна дізнатися реальну масу Чумацького Шляху, яка до цього залишалася об’єктом запеклих дискусій.

Робота принесла два великі сюрпризи. По-перше, виявилося, що Чумацький Шлях не показує прискореного обертання країв галактичного диска, як майже всі скільки-небудь добре вивчені спіральні галактики, крім нашої. На відстані від 63 до 86 тисяч світлових років від центру Чумацького Шляху швидкість обертання його зірок навколо галактичного центру падає в середньому на 30 кілометрів на секунду. Це не так мало: наприклад, Сонце обертається навколо ядра Галактики зі швидкістю 230 кілометрів на секунду. Фактично зменшення швидкостей обертання зірок у нашій Галактиці має вигляд “кеплерівського сповільнення”, подібного до того, що видно для зовнішніх планет Сонячної системи. І не спостерігається поки що в інших галактиках Всесвіту, схожих на нашу.

Це не означає, що темної матерії у нас немає: за розрахунками авторів нової роботи, її тут втричі більше, ніж звичайної. Проблема в тому, що для інших спіральних галактик це співвідношення – шість до одного, тобто вдвічі більше.

Крива зміни середньої швидкості зірок у диску Чумацького Шляху в міру віддалення від його центру. Спочатку швидкість різко зростає, проте після 15 тисяч парсек починає знижуватися. Такої картини немає в інших спіральних галактиках подібної світності / © Паризька обсерваторія

Другий великий сюрприз: маса Чумацького Шляху виявилася дорівнює приблизно 200 мільярдам мас Сонця. Це приблизно вп’ятеро менше від минулих загальноприйнятих оцінок (трильйон сонячних мас) і помітно менше, ніж в інших спіральних галактик тих самих розмірів, що й наша, які спостерігаються астрономами. З цього випливає, що оцінки мас галактик – супутників Чумацького Шляху (наприклад, Великої Магелланової хмари) потрібно переглядати “вниз”, причому досить сильно.

Автори дослідження зазначили, що, згідно з їхніми результатами, Чумацький Шлях виявляється екстраординарно рідкісною та екстраординарно бідною матерією Галактикою. Причини цього поки що не зрозумілі.

Серед можливих пояснень учені наводять те, що після 8-10 мільярдів років тому наша Галактика практично не зазнавала великих злиттів і поглинань (тобто не приєднувала до себе інші галактики). Водночас більшість інших спостережуваних спіральних галактик зазнавали великих злиттів не пізніше шести мільярдів років тому. Можливо, що і мале число пізніх злиттів і мала кількість темної матерії у нас якось пов’язані з тим, що будова рукавів у нашій галактиці дещо відрізняється від більшості спостережуваних спіральних галактик.

Інше пояснення: “Гайя” використовує інші методи для врахування швидкостей руху галактик. Якщо з нею щось не так, то нові результати щодо маси і швидкостей у Чумацькому Шляху теж некоректні. У якомусь сенсі такий варіант не менш приголомшливий, ніж перший, оскільки на точності цифр “Гайя” ґрунтується чимало висновків астрономів за останні роки.

Окремо зазначимо, що якщо цифри “Гайї” все ж коректні, то гіпотеза модифікованої ньютонівської динаміки (МОНД) неправильна. Модифікована ньютонівська динаміка – це теорія, яка передбачає, що гравітація має різну силу для різних відстаней. Тобто це пояснення, повністю альтернативне сучасній фізичній картині світу, що ґрунтується на теорії відносності, несумісній із таким підходом.

МОНД довгі роки користувалася певною популярністю, оскільки дає змогу і пояснити надто швидке обертання дисків інших галактик, і не шукати темну матерію, яка пояснювала б таке обертання. Але, якщо в нашій Галактиці ніякого швидкого обертання периферичних частин галактичного диска немає, а є кеплерівське сповільнення його зірок, то МОНД, вочевидь, хибна: гравітація не може слабшати з відстанню скрізь, окрім Чумацького Шляху.

Зате інші підходи – конкретніше, темна матерія – з новою роботою отримали серйозне підтвердження. Кількість темної матерії в різних галактиках може відрізнятися в рамках найрізноманітніших гіпотез про її природу. Тепер залишилося лише з’ясувати, яка саме з них правильна: та, що спирається на дані гравітаційного телескопа LIGO, чи якісь інші.