Астрономы предложили новый способ оценить форму гало темной материи нашей галактики. Препринт статьи был опубликован в репозитории arXiv.org.
В современной астрофизике принята стандартная модель устройства вселенной — Лямбда-CDM, где CDM значит «холодная темная материя». Она призвана разрешить наблюдаемый парадокс в устройстве галактик, который астрономы обнаружили в середине XX века. Обычно скорость вращения тел замедляется по мере удаления от гравитационного центра, и потому каждому земному году соответствуют примерно 4 года Меркурия, а Плутон совершает оборот вокруг Солнца за 248 лет. Однако совсем иначе ведут себя спиральные галактики: у них скорость вращения рукавов вокруг ядра убывает по мере удаления от него крайне слабо.
Для объяснения этого феномена астрономы ввели понятие темной материи, невидимой массы, распределение которой и заставляет галактики вращаться таким причудливым образом. Темная материя проявляет себя для наблюдателей только с помощью гравитационного взаимодействия, увидеть саму ее невозможно. Однако, согласно расчетам она должна располагаться в гало, которое окружает галактический диск и простирается далеко за пределы видимой части галактик.
Поскольку темная материя напрямую не видна в телескоп, изучать ее очень тяжело. Косвенно наблюдать ее астрономами помогает, например, гравитационное линзирование, когда массивные объекты изменяют направления света или другого электромагнитного излучения. Этот метод хорошо работает с другими галактиками, которые люди наблюдают со стороны, но плохо подходит для Млечного Пути. Для получения данных о темной материи нашей галактики ученым приходится опираться лишь на ее гравитационное взаимодействие, которое сказывается на траектории движения звезд. Однако почти все звезды расположены в галактической плоскости, и потому не могут ничего сообщить о темной материи над и под ней. Теперь Арианна Галло из Туринского университета и ее коллеги предложили оценить форму темной материи вне плоскости эклиптики с помощью так называемых убегающих, или сверхбыстрых звезд.
Подавляющее большинство звезд галактики гравитационно связаны, и никогда ее не покинут.
Однако в ходе некоторых событий, например, взаимодействия звездной системы со сверхмассивной черной дырой, звезда может так разогнаться, что достигнет четвертой космической скорости, позволяющей покинуть галактику.
Одна из самых быстрых убегающих звезд, S5-HVS1, была обнаружена в 2019 году, ее скорость равна примерно шести миллионам километров в час. При этом сверхбыстрая звезда зачастую выбрасывается из плоскости галактики, что позволяет ученым получить информацию об относительно пустом районе космоса под и над ней.
Гравитационное воздействие со стороны темной материи на сверхбыструю звезду, в теории, можно вычислить, исходя из ее нынешней скорости. Необходимым условием для этого является знание ее начальной скорости, но таких данных у астрономов нет. Более того, убегающие звезды получают совершенно разный «толчок». Поэтому в новой работе ученые предложили статистический метод: они проанализировали траектории более 90 известных сверхбыстрых звезд, чья скорость как выше, так и ниже четвертой космической. Они собрали данные о скорости и положении этих звезд, и с помощью компьютерной симуляции сравнили, какая из сотен предложенных форм гало темной материи может объяснить наблюдаемое распределение.
Расчеты показали, что такой метод работает, но для него нужно больше данных. С помощью известных сейчас сверхбыстрых звезд невозможно построить достоверную карту темной материи, по оценкам ученых, вероятность успешного предсказания формы с помощью их модели примерно равна ½. Имеющихся данных достаточно лишь для того, чтобы заключить, что гало темной материи Млечного Пути относительно симметрично, и приблизительно имеет форму сферы или эллипсоида. Чтобы узнать точную форму, потребуется проанализировать от 400 до 800 убегающих звезд. Авторы работы надеются, что их удастся открыть с помощью новых телескопов, вроде James Webb, который должен отправиться в космос в декабре 2021 года.