Цивилизация
Одна из загадок современной физики — это темная материя. Еще в 1930-х годах астрономы получили первые свидетельства того, что во Вселенной присутствует вещество, которое не излучает и не поглощает света, и обнаружить которое можно только по гравитационному воздействию. Дальнейшее изучение динамики галактик и их скоплений давало лишь новые аргументы в пользу существования темного вещества. Несмотря на значительные усилия по поиску частиц темной материи, они до сих пор не обнаружены. Известны попытки объяснить наблюдаемые особенности мира галактик без привлечения массивной темной компоненты. Поэтому определение даже некоторых свойств темного вещества, в частности характера пространственного распределения плотности темной массы, является чрезвычайно важным для физики галактик и космологии.
Выяснение природы темной материи станет, без сомнения, одним из крупнейших открытий в истории человечества.
Согласно наиболее популярным космологическими представлениям основная часть массы галактик сосредоточена в темном гало, внутри которого находятся барионные компоненты — звезды и газ. Величину этой темной массы можно измерить в рамках тех или иных модельных предположений, анализируя доступный наблюдательный материал, например, кривую вращения — распределение скорости вращения звезд на больших расстояниях от центра. Задача определения формы темного гало из наблюдений для конкретной галактики является более сложной, поскольку требуется оценить свойства невидимой подсистемы вдоль сразу трех направлений — понять сферично ли оно, сплюснуто или трехосно. Относительно уверенные доказательства того, что форма гало отличается от сферической, имеются только для нашей галактики. В большинстве остальных случаев приходится довольствоваться косвенными оценками и статистическими закономерностями. Интерес к выявлению геометрической формы гало связан с расчетами, показывающими, что форма темного гало может рассказать нам об истории формирования галактик, а также служить тестом для современных космологических моделей.
Удобными объектами для подобных исследований являются галактики с полярными кольцами (ГПК). Что это такое, хорошо понятно при взгляде на изображения одной из самых близких ГПК — галактики NGC 4650A.
Здесь центральная галактика, ориентированная почти «с ребра», окружена внешним кольцом из газа, пыли и звезд, вращающимся в плоскости, примерно перпендикулярной к ее диску. Такие объекты встречаются весьма редко, их число составляет доли процента от близких галактик. Считается, что наиболее вероятной причиной их формирования является слияние галактик с соответствующим направлением момента вращения, важным фактором выступает аккреция вещества спутника или газовых облаков из межгалактической среды на хозяйскую галактику. Такая уникальная структура галактической системы дает возможность попытаться понять форму гравитационного потенциала, сравнивая кривые вращения, измеренные сразу в двух плоскостях — в центральном диске и в полярном кольце. Эта идея высказывалась ранее. Более того, статистическое сравнение максимальных скоростей вращения полярных колец и светимостей центральных галактик указывает на заметную сплюснутость темных гало. Но точные оценки этого параметра для отдельных объектов получались с большой неопределенностью и противоречили друг другу. Это связано с тем, что для таких измерений необходимо не только хорошо знать геометрию системы (точные наклоны диска и кольца к лучу зрения и друг к другу), но также иметь надежные данные о движении звездного населения во внешних областях галактик, имеющих относительно низкую яркость.
Группа российских астрономов использовала для изучения темного гало новые данные для галактик с ГПК. Результаты их исследования приняты к публикации в журнале MNRAS, с препринтом статьи можно ознакомиться на сайте arxiv.org.
«Шли мы к этому результату долго, — вспоминает один из авторов статьи Алексей Моисеев, сотрудник САО РАН и ГАИШ МГУ. — Сама идея использовать эти галактики для изучения формы темного гало более чем очевидна и многими высказывалась ранее. Но серьезных наблюдательных работ почти не было, кроме статистических прикидок по интегральным параметрам. Точнее, были попытки в нескольких классических работах, но наблюдательная техника 90-х годов сильно отставала от современных возможностей. Требовались измерения хаотических движений (дисперсий скоростей) звезд во внешних областях, имевших слишком низкую поверхностную яркость. Методика таких измерений на 6-м телескопе САО РАН у нас уже была отлажена, это та область наблюдательных задач, где наш прибор SCORPIO мог блеснуть своей высокой эффективностью (хочется сказать особые слова благодарности разработчику прибора и научному руководителю проектов SCORPIO/SCORPIO-2 Виктору Афанасьеву). Была проведена значительная предварительная работа по изучению ГПК, которая привела к публикации нового каталога полярных колец, составленного на основе изучения снимков обзора SDSS. Обсудив новые задачи с профессором Волгоградского университета Александром Хоперсковым, мы подошли к тому, что для первого «броска на измерение формы гало» лучше всего подходят две галактики: SPRC-7, полярное кольцо в которой было уже подтверждено на 6-м телескопе в нашей совместной работе с коллегами из Израиля и ЮАР, а также описанное итальянскими астрономами кольцо вокруг NGC 4262. Не хватало лишь достаточно глубоких спектров звездного населения центральных галактик, но эти наблюдения нам удалось выполнить на 6-м телескопе. И здесь ничего бы не вышло без знаний, энергии и умений первого автора статьи — Сергея Хоперскова (ИНАСАН), сына Александра Хоперскова, можно сказать, «галактического динамика во втором поколении».
Еще одним автором статьи является сотрудник ГАИШ МГУ Анна Сабурова, которая проводила моделирование кубов радиоданных для галактики NGC 4262. «Радионаблюдения проводились другими авторами ранее на Вестерборкском радиотелескопе (Нидерланды). Куб данных представляет собой совокупность изображений галактики в линии излучения нейтрального водорода, полученных на различных частотах. Если меняется частота, то меняется и наблюдаемая скорость движения галактики. Таким образом, мы имеем дело с изображениями частей галактики, движущихся с разными скоростями», — рассказала Анна Сабурова.
Кинематика звезд в двух ГПК из нового каталога SPRC (Sloan-based Polar Ring Catalog — каталог галактик с полярными кольцами, созданный на основе проекта SDSS, — Слоановский цифровой обзор неба) изучалась на самом крупном оптическом телескопе, расположенном в России, — шестиметровом телескопе Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН). С помощью многорежимных спектрографов SCORPIO и SCORPIO-2 были получены распределения лучевых скоростей и дисперсии скоростей звезд в SPRC-7 и SPRC-33 (NGC 4262). Вращение газа в кольце SPRC-7 также изучалось на 6-м телескопе с прибором SCORPIO (поле скоростей, полученное Алексеем Моисеевым, опубликовано в 2010 году в статье MNRAS), а для NGC 4262 использовались ранее опубликованные данные Тома Остерло и его коллег, изучавших вращение нейтрального водорода на радиотелескопе WSRT.
Кроме данных о движении газа и звезд детальная модель галактик включала также информацию о распределении плотности газа и яркости звездного компонента согласно данным обзора SDSS. Форма темного гало в модели подбиралась так, чтобы добиться наилучшего согласия с наблюдаемым вращением как самих галактик, так и их полярных колец. SPRC-7 — одна из наиболее больших (диаметр кольца около 50 кпк) и далеких среди подтвержденных ГПК, массивное кольцо здесь состоит их газа и звезд и вращается не перпендикулярно плоскости диска галактики, а под углом 73 градуса к нему.
NGC 4262 принадлежит близкому скоплению галактик Virgo, кольцо диаметром около 30 кпк почти не содержит звезд, состоит в основном из газа и ориентировано почти точно перпендикулярно к центральной галактике.
Эти две галактики заметно отличаются друг от друга. Неудивительно, что и темные гало в них сильно различаются. В SPRC-7 гало заметно сплюснуто к плоскости кольца (отношение осей 1,5–1,7 в зависимости от принятой модели распределения плотности гало). Случай NGC 4262 более сложный и интересный, поскольку наблюдаемая картина может быть объяснена только в предположении, что отношение осей в распределении потенциала темного гало сильно меняется с расстоянием от центра, составляя около 0,4 во внутренних областях и 1,5–2,3 во внешних. Это первая галактика (за исключением нашего Млечного Пути), где надежно зафиксировано изменение формы темного гало с радиусом, предсказанное в некоторых теоретических моделях формирования галактик.
«Открытыми остаются многие вопросы. Прежде всего неясно, насколько полученные результаты о форме гало в полярных кольцах можно обобщать на другие галактики», — пояснил Алексей Моисеев.
Поскольку природа темной материи пока неизвестна, это позволяет существовать другим теориям, объясняющим феномен скрытой массы. Ученый отметил, что расчеты сделаны в рамках наиболее распространенного представления о наличии так называемой «холодной» темной материи. «Но важно, что только видимое (барионное) вещество не может объяснить имеющиеся наблюдения. Можно пробовать описывать представленные в нашей работе данные о кинематике газа и звезд любыми альтернативными моделями гравитации (в рамках Модифицированной ньютоновской динамики — MOND). Но они должны описывать их не хуже, чем представленные в статье несферические гало, без привлечения дополнительных подгоночных параметров в MOND».
«Я считаю, что проделана большая и важная работа, — говорит Анна Сабурова. — По исследуемым объектам мы использовали всю имеющуюся информацию, но особенно важную роль сыграли наблюдения на российском шестиметровом телескопе. Именно эти наблюдения о движении ионизованного газа и звезд в этих системах сыграли ключевую роль для получения новых важных выводов о свойствах темной материи. Приятно осознавать, что благодаря активной и самоотверженной работе российских ученых по поддержанию и обслуживанию шестиметрового телескопа, у нас есть возможность получать данные столь высокого качества и публиковать работы на мировом уровне».