Астрофизики выяснили, как галактики могут существовать без темной материи

Распределение темной материи в смоделированной группе галактик, с более яркими областями, показывающими более высокие концентрации темной материи. Круги показывают крупные планы звездного света, связанного с двумя галактиками, лишенными темной материи. Если бы эти галактики имели темную материю, они бы выглядели как яркие области на основном изображении. Морено и др.

Это механизм, который может объяснить, как галактики могут существовать без темной материи — то, что когда-то считалось невозможным.

Это началось в 2018 году, когда астрофизики Шани Даниэли и Питер ван Доккум из Принстонского университета и Йельского университета наблюдали две галактики, которые, казалось, существовали без большей части своей темной материи.

«Мы ожидали больших фракций темной материи», — сказал Даниэли, который является соавтором последнего исследования. «Это было довольно удивительно, и очень повезло, честно говоря».

Счастливая находка, о которой ван Доккум и Даниэли сообщили в статье Nature в 2018 году и в статье Astrophysical Journal Letters в 2020 году, ввергла парадигму галактик-потребности-темной материи в хаос, потенциально перевернув то, что астрофизики стали рассматривать как стандартную модель того, как работают галактики.

«За последние 40 лет было установлено, что галактики имеют темную материю», — сказал Хорхе Морено, профессор астрономии в колледже Помона, который является ведущим автором новой статьи. «В частности, галактики с низкой массой, как правило, имеют значительно более высокие фракции темной материи, что делает открытие Даниэли довольно удивительным. Для многих из нас это означало, что наше нынешнее понимание того, как темная материя помогает галактикам расти, нуждалось в срочном пересмотре».

Команда запустила компьютерные модели, которые имитировали эволюцию куска Вселенной — около 60 миллионов световых лет в поперечнике — начиная вскоре после Большого взрыва и продолжаясь до настоящего времени.

Команда обнаружила семь галактик, лишенных темной материи. После нескольких столкновений с соседними галактиками, в 1000 раз более массивными, они были лишены большей части своего материала, не оставив после себя ничего, кроме звезд и некоторой остаточной темной материи.

«Это была чистая случайность», — сказал Морено. «В тот момент, когда я сделал первые снимки, я немедленно поделился ими с Даниэли и пригласил ее к сотрудничеству».

Роберт Фельдманн, профессор Цюрихского университета, который разработал новую симуляцию, сказал, что «эта теоретическая работа показывает, что галактики с дефицитом темной материи должны быть очень распространены, особенно в окрестностях массивных галактик».

Джеймс Баллок из UCI, астрофизик, который является всемирно известным экспертом по галактикам с низкой массой, описал, как он и его команда не построили свою модель только для того, чтобы они могли создавать галактики без темной материи — то, что, по его словам, делает модель сильнее, потому что она никоим образом не была разработана для создания столкновений, которые они в конечном итоге обнаружили. «Мы не предполагаем взаимодействия», — сказал Баллок.

Подтверждение того, что галактики, лишенные темной материи, могут быть объяснены во Вселенной, где много темной материи, является вздохом облегчения для таких исследователей, как Баллок, чья карьера и все, что он там обнаружил, зависит от того, что темная материя является тем, что заставляет галактики вести себя так, как они это делают.

«Наблюдение о том, что существуют галактики, свободные от темной материи, было немного тревожным для меня», — сказал Баллок. «У нас есть успешная модель, разработанная за десятилетия напряженной работы, где большая часть материи в космосе темная. Всегда есть вероятность, что природа обманывает нас».

Но, по словам Морено, «вам не нужно избавляться от стандартной парадигмы темной материи».

Теперь, когда астрофизики знают, как галактика может потерять свою темную материю, Морено и его сотрудники надеются, что результаты вдохновят исследователей, которые смотрят на ночное небо, искать реальные массивные галактики, которые они могут находиться в процессе удаления темной материи от более мелких.

«Это все еще не означает, что эта модель правильная», — сказал Баллок. «Настоящий Тест будет заключаться в том, чтобы увидеть, существуют ли эти вещи с частотой и общими характеристиками, которые соответствуют нашим прогнозам».

В рамках этой новой работы Морено, который имеет коренные корни, получил разрешение от лидеров чероки назвать семь галактик без темной материи, найденных в их симуляциях, в честь семи кланов чероки: Птица, Синий, Олень, Длинные Волосы, Краска, Дикий Картофель и Волк.

«Я чувствую личную связь с этими галактиками», — сказал Морено, добавив, что так же, как более массивные галактики лишили меньшие галактики их темной материи, «многие люди коренного происхождения были лишены нашей культуры. Но наше ядро остается, и мы все еще процветаем».