Надзвичайно великий телескоп (Extremely Large Telescope, ELT), перше світло якого очікують у березні 2029 року, отримає інструмент, здатний заглянути в одну з найзагадковіших тем космології — надрозріджені галактики та їхні темні гало. У новій роботі, про яку пише Universe Today, астрономи показують, як комплекс NEXUS@SHARP на ELT зможе випробувати ключові положення стандартної моделі Лямбда-CDM.
Чому надрозріджені галактики такі проблемні
Надрозріджені галактики (Ultra-Diffuse Galaxies, UDGs) за розмірами можна порівняти з Чумацьким Шляхом, але мають у тисячі разів менше зір. Їхні зорі дуже розтягнуті у просторі, тож такі об’єкти надзвичайно тьмяні та «пухкі» — значно більше, ніж це випливає з моделі Лямбда-холодної темної матерії (ΛCDM).
У рамках ΛCDM розміри галактик визначаються їхніми гало темної матерії — базовими «цеглинками» великомасштабної структури Всесвіту. Для UDGs спостерігається невідповідність між очікуваними розмірами гало та реальною розрідженістю зір. Раніше припускали, що зорі «роздмухали» вибухи наднових, але така інтерпретація не витримала перевірки.
Щоб розв’язати цю загадку, астрономам необхідно виміряти масу темного гало UDGs. Один із найкращих способів — дослідити їхні кульові скупчення зір (Globular Clusters, GCs), які є яскравішими за самі галактики і простягаються далі від їхніх центрів.
NEXUS@SHARP: новий спектрограф для ELT
У статті в журналі New Astronomy група на чолі з Марко Мірабіле (Marco Mirabile) з Італії описує науковий потенціал інструмента NEXUS@SHARP. SHARP — це Spectrograph for High Angular Resolution Physics, а NEXUS — багатооб’єктний спектрограф (Multi-Object Spectrograph), спроєктований для роботи з ним у ближньому інфрачервоному діапазоні.
Автори вказують, що нинішні спектрографи не досягають необхідної глибини, щоб повноцінно вивчати кульові скупчення в UDGs за межами найближчого оточення. NEXUS@SHARP має подолати це обмеження, поєднуючи високу просторову роздільну здатність з ефективним мультиплексуванням — здатністю одночасно спостерігати багато об’єктів.
Багатооб’єктні спектрографи вже працюють на телескопах Keck, VLT, Gemini, а також на космічному телескопі Джеймса Вебба. Але NEXUS@SHARP буде встановлений на винятково потужному ELT з його сегментованим дзеркалом діаметром 39,3 метра, що значно розширює доступний діапазон відстаней та яскравостей.
Кульові скупчення як зонди темної матерії
Усі галактики, включно з нашою, мають кульові скупчення. У випадку надрозріджених галактик вони виконують роль природних «маячків», адже яскравіші та легше спостерігаються, ніж розсіяний зоряний диск хост-галактики. Крім того, вони простягаються далі від центру, що дає змогу точніше окреслити гало темної матерії.
Спектри GC дають дві ключові групи даних. По-перше, вони дозволяють виміряти радіальні швидкості скупчень, а отже — динамічну масу гало: наскільки масивним воно має бути, щоб утримувати ці об’єкти на орбітах. По-друге, спектри розкривають вік та вміст важчих елементів (металічність), а це відображає історію формування зір у скупченні і, ширше, в самій галактиці.
Ще одна важлива річ: кількість кульових скупчень теж пов’язана з масою темного гало. Спостереження показують, що число GC в середньому зростає майже лінійно з масою гало. Це дає друге, незалежне оцінювання маси — так звану «GC-лічильну» масу.
На думку авторів, NEXUS@SHARP зможе ефективно вимірювати популяції GC в UDGs у різних середовищах на відстанях до 60–70 Мпк (близько 230 мільйонів світлових років) всього за кілька годин часу ELT, оскільки за один сеанс отримає спектри великої кількості скупчень.
Дві конкуренти картини походження UDGs
Дані NEXUS@SHARP мають допомогти розрізнити щонайменше два основні сценарії формування надрозріджених галактик, що по-різному вписуються у ΛCDM.
Перший сценарій стверджує, що UDGs — це «невдалі» масивні галактики. Вони мали стати повноцінними великими системами, але процес зореутворення у них рано згас. Такі об’єкти повинні мати:
- порівняно масивні гало темної матерії, типові для звичайних галактик;
- нечисленну, стару, червонішу та металобідну зоряну компоненту;
- незвично багаті популяції кульових скупчень.
Другий сценарій розглядає UDGs як «роздуті» карликові галактики. Вони від початку є низькомасивними, але з певних причин розширилися у просторі. У такому разі очікуються:
- менш масивні гало темної матерії, відповідні звичайним карликовим галактикам;
- блакитніший колір і розтягнута в часі історія зореутворення;
- кількість GC та вміст темної матерії, подібні до типових карликів.
Якщо динамічна маса (з розподілу швидкостей GC) і маса з підрахунку скупчень обидві високі, це схиляє до сценарію «невдалої» масивної галактики з перенадлишковим гало. Якщо ж обидві оцінки низькі, більш вірогідним видається сценарій «роздутого» карлика.
Є й складніший варіант: якщо динамічна маса низька, а GC-лічильна висока, це може вказувати на незвично неефективне формування кульових скупчень з причин, пов’язаних, наприклад, з оточенням UDG.
Перевірка ΛCDM і перспектива NEXUS@SHARP
Модель Лямбда-CDM і надалі найкраще узгоджується з великим обсягом астрономічних даних про темну матерію та темну енергію, але вона не описує все без винятку. Надрозріджені галактики з їхніми дивними гало — одна з лакун, де теорія й спостереження поки що не стикуються повністю.
NEXUS@SHARP наразі існує як концепція, а нинішня публікація — це аргумент на користь його побудови. Автори показують, що систематичний спектроскопічний огляд великої кількості UDGs і їхніх кульових скупчень дасть:
- дві незалежні оцінки маси для кожної галактики (динамічну та за кількістю GC);
- дані про віки та металічності GC, а також про кінематику та еволюцію польових зір;
- можливість надійно розрізняти різні канали формування UDGs в різних середовищах.
За версією дослідників, такий інструмент стане потужним засобом для зменшення невизначеності навколо надрозріджених галактик, їхніх темних гало та, зрештою, допоможе або підтвердити, або скоригувати сучасну космологічну модель ΛCDM.