Комп’ютерні симуляції зоряних потоків навколо галактик, виконані астрономами з Університету Вашингтона, показали, що сама галактика може створювати багато тих самих викривлень, які дослідники шукали як можливі сигнали темної матерії. Робота описана в матеріалі SciTechDaily і може допомогти відокремити справжні сліди темної матерії від хибних сигналів.
Як галактики спотворюють зоряні потоки
Більшість галактик, зокрема й Чумацький Шлях, імовірно оточені довгими нитками зірок — так званими зоряними потоками. Це залишки зоряних скупчень або карликових галактик, які потрапили в гравітаційне поле великої галактики й були розтягнуті в тонкі «стрічки».
Астрономи давно сподівалися, що прогалини, вигини та інші деформації в цих потоках навколо Чумацького Шляху можуть вказувати на невидимі згустки темної матерії. Вважалося, що саме зіткнення з такими субгало темної матерії залишають характерні «шрами» в потоках.
У новому дослідженні команда змоделювала приблизно 15 000 зоряних потоків у чотирьох віртуальних галактиках, подібних до Чумацького Шляху. При цьому в симуляції навмисно не включали дрібні згустки темної матерії — субгало. Після п’яти мільярдів «віртуальних» років майже в усіх потоках з’явилися нерівності, і лише 70 залишилися абсолютно гладкими.
За словами провідного автора Арпіта Арора (Arpit Arora), постдокторанта кафедри астрономії, самі галактики в моделі створили ті ж типи нерівностей, які астрономи спостерігають у реальних зоряних потоках. Тепер, коли можна передбачити, що робить одна лише галактика, дослідники сподіваються відокремити внесок темної матерії.
Нерівномірна структура диска як джерело «шрамів»
Викривлення потоків виникали через внутрішню структуру змодельованих галактик. Зірки в диску були розподілені не зовсім рівномірно, утворюючи ділянки більшої та меншої густини, подібно до реальних галактичних дисків.
Коли зоряні потоки проходили через щільніші області, нерівномірне гравітаційне поле згинало їх, розривало та спотворювало. Арора очікував побачити певні порушення, але їхня кількість виявилася значно більшою, ніж передбачалося.
Симуляції показали широкий спектр структур: хвилеподібні «wiggles», різкі злами, відгалуження, шпори, прогалини та скупчення. Деякі потоки були настільки деформовані гравітаційною «піною» галактики, що фактично розривалися. Потоки, які оберталися ближче до галактичного центру, частіше проходили через щільні, «грудкуваті» області й зазнавали сильніших спотворень.
Темна матерія під підозрою, але не скасовується
Результати ускладнюють використання зоряних потоків як інструмента для вивчення темної матерії — гіпотетичної речовини, яка не взаємодіє зі світлом і звичайною матерією, окрім гравітації. Темна матерія, за сучасними уявленнями, становить більшість маси Всесвіту й формує «каркас», на якому ростуть галактики.
Співавторка Нора Шипп (Nora Shipp), доцентка астрономії, зазначає, що Чумацький Шлях є одним із найкращих «лабораторій» для вивчення темної матерії, а зоряні потоки — одним із найточніших інструментів у цій лабораторії. Багато потоків у нашій галактиці вже відомі й демонструють прогалини та злами, які раніше часто пояснювали саме зустрічами з субгало темної матерії.
Нове моделювання показує: перш ніж приписувати такі особливості темній матерії, потрібно врахувати, що подібні структури може створювати й сама галактика. Це не заперечує роль темної матерії, але вказує, що її «відбитки» складніше виділити на фоні внутрішньої динаміки галактичного диска.
Наступний крок — додати темну матерію в моделі
Наступним етапом Арпіт Арора планує включити до симуляцій згустки темної матерії й перевірити, чи створюють вони характерні візерунки, які можна відрізнити від ефектів, спричинених лише галактикою. Якщо такі відмінні «підписи» вдасться знайти, це допоможе надійніше пов’язувати конкретні спотворення потоків із темною матерією.
Важливу роль мають відіграти й нові спостереження. Очікується, що оглядовий телескоп Simonyi в обсерваторії Віри Рубін відкриє набагато більше зоряних потоків у Чумацькому Шляху. Велика вибірка об’єктів дасть змогу класифікувати різні типи структур у потоках і шукати ті, які з більшою впевненістю можна пов’язати з темною матерією.
Співавтор Джеймс Девенпорт (James Davenport), науковий співробітник Університету Вашингтона, підкреслює, що простого способу «побачити» структуру темної матерії не існує. Зоряні потоки — складні системи, але наразі це один із найперспективніших інструментів для дослідження темної матерії в околицях нашої галактики.