Какова связь между галактиками и тёмной материей? Большинство, если не все галактики окружены ореолами этой загадочной, неизвестной, но вездесущей материи. И она также играет определённую роль в формировании галактик. Природу этой роли астрономы всё ещё выясняют. Сегодня они исследуют младенческую пору Вселеннуой в поисках самых маленьких и ярких галактик. Ведь они могут помочь рассказать о роли тёмной материи в образовании галактик.
Международная группа астрономов под руководством Смадара Наоза из Калифорнийского университета занимается моделированием раннего формирования галактик. Их компьютерные программы отслеживают обстоятельства рождения галактик вскоре после Большого взрыва. Эти новейшие компьютерные модели включают в себя несколько новых моментов. Они учитывают ранее игнорируемые взаимодействия между тёмной материей и первозданным материалом Вселенной — газообразными водородом и гелием. Результатами моделирования служат крошечные, яркие галактики, которые сформировались быстрее, чем в компьютерных моделях, не учитывающих эти движения. Теперь астрономам осталось найти их с помощью Уэбба, чтобы проверить, насколько верны их теории о тёмной материи.
Взаимодействие тёмной материи со сверхзвуковой барионной материей
Как взаимодействие между барионной и тёмной материей может повлиять на ситуацию? Вот одна из вероятных историй: в ранней Вселенной облака газа двигались со сверхзвуковой скоростью мимо сгустков тёмной материи. Газ отскакивал от тёмной материи. В конце концов, спустя миллионы лет, газообразный материал снова собрался вместе и образовал звёзды в результате взрыва звёздообразования. Модель, созданная командой, прослеживает формирование этих галактик сразу после Большого взрыва.
Команда Наоза считает, что существование этих небольших, более ярких и удалённых галактик может подтвердить так называемую модель «холодной тёмной материи«. Она предполагает, что после Большого взрыва Вселенная находилась в горячем плотном состоянии, содержащем только газы. С течением времени она породила неравномерно распределённые галактики (и в конечном итоге — галактические скопления). Попутно формировались звёзды и галактики, но самые ранние этапы, скорее всего, зависели от гравитационного взаимодействия с тёмной материей. Если бы сверхзвуковые взаимодействия, которые смоделировала команда Наоза, происходили на самом деле, то результатом стало бы появление этих маленьких галактик.
Моделирование формирования галактик и влияния тёмной материи
За время работы Уэбб увидел несколько довольно ранних галактик. Самые ранние из них пока не обнаружены. Однако изображения, которые он предоставил, дают интересный вариант того, что могло существовать в более ранние эпохи, и могут дать представление о роли тёмной материи. Поэтому вполне логично, что астрономы хотят как можно дальше заглянуть в прошлое. А это значит, что нужно искать яркие пятна света, существовавшие через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
«Обнаружение небольших ярких галактик в ранней Вселенной подтвердит, что мы находимся на правильном пути с моделью холодной тёмной материи, потому что только взаимоотношения между двумя видами материи могут породить такой тип галактик, который мы ищем», — говорит Наоз. «Если тёмная материя ведёт себя не так, как стандартная холодная тёмная материя, и эффект струйности отсутствует, тогда эти яркие карликовые галактики не будут обнаружены, и нам придётся вернуться к чертёжной доске».
В статье члена команды и первого автора Клэр Уильямс (опубликована в Astrophysical Journal Letters) команда предлагает учёным, использующим Уэбб, начать поиск галактик, которые намного ярче, чем ожидалось. Если они существуют, это, скорее всего, докажет, что взаимодействие произошло на ранних этапах космического времени. Если же их не удастся найти, то, возможно, учёные до сих пор не понимают физики взаимодействия тёмной материи. Остаётся ответить на главный вопрос: если они существуют, то как они образовались так быстро и почему они такие яркие?
Потоки через коридоры тёмной материи
Давайте разберёмся в этом, взглянув на роль тёмной материи. Стандартная космологическая модель гласит, что гравитационное притяжение сгустков тёмной материи в ранней Вселенной притягивало обычную материю. В конечном итоге это привело к образованию звёзд, а затем и галактик. Считается, что тёмная материя движется медленнее, чем свет. Поэтому астрономы предсказывали, что процессы образования звёзд и галактик происходили очень постепенно. По крайней мере, так предполагают более ранние моделирования.
Но что, если более 13 миллиардов лет назад происходило что-то другое? Как бы это изменило ситуацию? Это было время до образования первых галактик. В это время обычная материя в виде больших переизбытков водорода и гелия устремилась через расширяющуюся Вселенную. Она отскакивала от более медленных сгустков тёмной материи и опережала её гравитационное притяжение, по крайней мере, на какое-то время. Затем под влиянием тёмной материи барионная материя снова собралась в комки. Тогда и начался фейерверк рождения звёзд.
«Хотя потоки подавляли звёздообразование в самых маленьких галактиках, они также усиливали звёздообразование в карликовых галактиках, заставляя их затмевать непотоковые участки Вселенной», — говорит Уильямс. По сути, через миллионы лет скопившийся газ начал слипаться. Это привело к огромному всплеску звёздообразования. Множество массивных горячих молодых звёзд начали сиять, затмевая звёзды в других маленьких галактиках. В конечном итоге это означает, что, поскольку тёмную материю невозможно «увидеть», эти ярко светящиеся участки галактик могут быть косвенным доказательством её существования. И они доказывают, какую роль тёмная материя сыграла в создании галактик.
Поиск ярких пятен
Никто ещё не видел того, что пытаются найти Наоз и его команда. Но когда они это сделают, это поможет понять роль холодной тёмной материи. «Обнаружение небольших ярких галактик в ранней Вселенной подтвердит, что мы находимся на правильном пути с моделью холодной тёмной материи, потому что только взаимоотношения между двумя видами материи могут породить такой тип галактик, который мы ищем», — говорит Наоз.
Конечно, Уэбб — идеальный телескоп для наблюдения этих галактик. Он должен быть способен заглянуть в те области Вселенной, где крошечные галактики-младенцы светятся ярче, чем ожидают астрономы. Эта экстремальная яркость поможет Уэббу заметить их и показать, как они выглядели в то время, когда возраст Вселенной составлял всего несколько сотен миллионов лет. Поскольку тёмную материю невозможно изучить напрямую, поиск этих ярких пятен галактик-младенцев в ранней Вселенной может стать эффективной проверкой теорий о тёмной материи и её роли в формировании первых галактик.
