Полювання на сяючі галактики може перевернути теорії темної матерії

Якщо теорії про холодну темну матерію справдяться, космічний телескоп Вебба повинен відкрити крихітні яскраві галактики раннього Всесвіту. Протягом останніх півтора року космічний телескоп Джеймса Вебба створював дивовижні зображення далеких галактик, які утворилися незабаром після Великого вибуху, даючи вченим перші проблиски зародження Всесвіту. Тепер група астрофізиків збільшила ставку: знайдіть найменші, найяскравіші галактики на початку самого початку часу, або вченим доведеться повністю переглянути свої теорії про темну матерію.

Команда на чолі з астрофізиками Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі провела моделювання, яке відстежувало формування малих галактик після Великого вибуху та вперше включало раніше нехтувані взаємодії між газом і темною матерією. Вони виявили, що створені галактики дуже крихітні, набагато яскравіші та утворюються швидше, ніж у типових симуляціях, які не враховують ці взаємодії, натомість виявляючи набагато тьмяніші галактики.

Значення карликових галактик у космічних дослідженнях

Малі галактики, також звані карликовими галактиками, присутні по всьому Всесвіту, і часто вважаються найдавнішими типами галактик. Тому малі галактики особливо цікаві вченим, які вивчають походження Всесвіту. Але невеликі галактики, які вони знаходять, не завжди збігаються з тим, що, на їхню думку, вони повинні знайти. Ті, що знаходяться найближче до Чумацького Шляху, обертаються швидше або не такі щільні, як у симуляції, що вказує на те, що моделі могли щось упустити, наприклад, ці взаємодії газу та темної матерії.

Нове дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal Letters, покращує моделювання, додаючи взаємодію темної матерії з газом, і виявляє, що ці слабкі галактики могли бути набагато яскравішими, ніж очікувалося на початку історії Всесвіту, коли вони тільки починали формуватися. Автори пропонують вченим спробувати знайти невеликі галактики, які набагато яскравіші, ніж очікувалося, за допомогою таких телескопів, як телескоп Webb. Якщо вони знайдуть лише слабкі, то деякі їхні уявлення про темну матерію можуть бути хибними.

Невловима природа темної матерії

Темна матерія — це тип гіпотетичної матерії, яка не взаємодіє з електромагнетизмом або світлом. Таким чином, неможливо спостерігати за допомогою оптики, електрики чи магнетизму. Але темна матерія справді взаємодіє з гравітацією, і її наявність було зроблено через гравітаційний вплив, який вона має на звичайну матерію — речовину, з якої складається весь спостережуваний Всесвіт. Незважаючи на те, що вважається, що 84% матерії у Всесвіті складається з темної матерії, її ніколи не було виявлено безпосередньо.

Усі галактики оточені величезним ореолом темної матерії, і вчені вважають, що темна матерія була важливою для їх утворення. «Стандартна космологічна модель», яку астрофізики використовують для розуміння утворення галактик, описує, як згустки темної матерії в дуже ранньому Всесвіті втягували звичайну матерію через силу тяжіння, викликаючи утворення зірок і створюючи галактики, які ми бачимо сьогодні. Оскільки вважається, що більшість частинок темної матерії — так звані холодна темна матерія — рухаються набагато повільніше, ніж швидкість світла, цей процес накопичення відбувався б поступово.

Теоретичні досягнення в розумінні формування галактик

Але понад 13 мільярдів років тому, до утворення перших галактик, звичайна матерія, що складається з водню та гелію, отриманого в результаті Великого вибуху, і темна матерія рухалися одна відносно одної. Газ протікає з надзвуковою швидкістю повз щільні зарості темної матерії, що повільніше рухається, яка повинна була втягнути його в галактики.

«Справді, у моделях, які не враховують потокове передавання, відбувається саме це», — сказала Клер Вільямс, докторант Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та перший автор статті. «Газ притягується до гравітації темної матерії, утворює згустки та вузли настільки щільні, що може статися синтез водню, і таким чином утворює зірки, як наше Сонце».

Але Вільямс і співавтори з команди Supersonic Project, групи астрофізиків зі Сполучених Штатів, Італії та Японії на чолі з професором фізики та астрономії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі Смадаром Наозом, виявили, якщо додати ефект потоку різних швидкостей між темною та звичайною матерією. Згідно з симуляціями, газ приземлився далеко від темної матерії, і йому не вдалося відразу утворити зірки. Коли через мільйони років накопичений газ знову потрапив у галактику, одразу стався потужний спалах зореутворення. Оскільки певний час у цих галактиках було набагато більше молодих, гарячих, яскравих зірок, ніж у звичайних малих галактиках, вони сяяли набагато яскравіше.

«У той час, як потоки пригнічували утворення зірок у найменших галактиках, воно також прискорювало утворення зірок у карликових галактиках, змушуючи їх затьмарювати непотокові ділянки Всесвіту», — сказав Вільямс. «Ми передбачаємо, що телескоп Webb зможе знайти регіони Всесвіту, де галактики будуть яскравішими завдяки цій швидкості. Той факт, що вони мають бути такими яскравими, може полегшити телескопу виявлення цих маленьких галактик, які зазвичай надзвичайно важко виявити лише через 375 мільйонів років після Великого вибуху».

Оскільки темну матерію неможливо вивчити напряму, пошук яскравих ділянок галактик у ранньому Всесвіті міг би запропонувати ефективну перевірку теорій про темну матерію, які поки що були безрезультатними.

«Відкриття ділянок маленьких яскравих галактик у ранньому Всесвіті підтвердить, що ми на правильному шляху з моделлю холодної темної матерії, оскільки лише швидкість між двома видами матерії може створити тип галактики, який ми шукаємо, – сказав Наоз, професор астрофізики Говарда та Астрід Престон. «Якщо темна матерія не поводиться як стандартна холодна темна матерія і ефект потоку відсутній, то ці яскраві карликові галактики не будуть знайдені, і нам потрібно повернутися до креслярської дошки».