Новые наблюдения ученых Европейской южной обсерватории (ESO) свидетельствуют о том, что 10 миллиардов лет назад, то есть в эпоху образования большинства галактик, в массивных галактиках с активным звездообразованием преобладало «обычное» барионное вещество. Сейчас влияние таинственной темной материи на галактики гораздо больше. Неожиданный вывод о том, что в ранней Вселенной темной материи было существенно меньше, чем теперь, сделан на основании наблюдательных данных, полученных на Очень Большом Телескопе ESO. Исследование представлено в четырех статьях, одна из которых опубликована в журнале Nature. Кратко о работе ученых рассказывается в пресс-релизе ESO.
Мы видим обычное вещество Вселенной в форме ярко сияющих звезд, светящегося газа и пылевых облаков. Темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет; ее присутствие проявляется только в ее гравитационном воздействии на обычное вещество. Только существованием темной материи можно объяснить, почему внешние части близких к нам спиральных галактик вращаются быстрее, чем это теоретически определяется наблюдаемой массой обычного вещества в этих галактиках. Диск спиральной галактики совершает один оборот за время порядка сотен миллионов лет. В ядрах спиральных галактик наблюдается высокая концентрация звезд, но по мере удаления от центра галактики плотность светящегося вещества падает. Если бы масса галактики полностью определялась обычным веществом, более разреженные внешние области галактик вращались бы медленнее, чем плотные центральные области. Но наблюдения близких к нам спиральных галактик показывают, что их внешние и внутренние области вращаются примерно с одной и той же скоростью. «Плоские кривые вращения» свидетельствуют о том, что в спиральных галактиках должно присутствовать много несветящегося вещества в форме гало из темной материи, окружающего галактический диск.
Недавно международная группа астрономов под руководством Райнхарда Гензеля (Reinhard Genzel) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Гархинге (Германия) при помощи приемников KMOS и SINFONI на Очень Большом Телескопе ESO в Чили [2] измерила вращение шести массивных галактик с активным звездообразованием в дальней Вселенной, в эпоху, когда образовалось большинство галактик, то есть 10 миллиардов лет назад.
Результат их измерений оказался неожиданным: в отличие от спиральных галактик в современной Вселенной, внешние области этих далеких галактик вращаются медленнее, чем внутренние, что означает, что там меньше темной материи, чем предполагалось.
«Удивительно не то, что скорости вращения галактик оказались непостоянными, а то, что они уменьшаются с расстоянием от центров галактик, – говорит Райнхард Гензель, первый автор статьи в журнале Nature. – Этому может быть два объяснения. Во-первых, возможно, что в большинстве ранних массивных галактик преобладает обычное вещество, а темная материя играет гораздо менее значительную роль, чем в современной нам Вселенной. Во-вторых, диски ранних галактик, возможно, гораздо более турбулентны, чем у спиральных галактик, которые мы видим в нашем космическом окружении».
По-видимому, оба этих эффекта проявляются все в большей степени по мере того, как астрономы проникают все глубже и глубже внутрь ранней Вселенной. Получается, что спустя 3-4 миллиарда лет после Большого Взрыва газ в галактиках успел сконцентрироваться в плоские вращающиеся диски, а темная материя образовывала вокруг них сферические гало, гораздо более протяженные, чем гало вокруг нынешних галактик. И по-видимому прошли еще миллиарды лет, прежде чем темная материя сконденсировалась до такой степени, чтобы ее влияние стало сказываться на скоростях вращения внешних областей современных галактических дисков.
Такое объяснение согласуется и с тем, что, как показывают наблюдения, ранние галактики гораздо богаче газом и значительно компактнее, чем современные.
Шесть исследованных галактик принадлежат к большой выборке ста далеких галактических дисков с активным звездообразованием, изображения которых получены с приемниками KMOS и SINFONI на Очень Большом Телескопе ESO в обсерватории Параналь в Чили. В дополнение к описанным выше измерениям индивидуальных галактик, суммированием слабых сигналов от других галактик была получена средняя кривая их вращения, которая также показывает, что скорость вращения падает с увеличением расстояния от центров галактик. К тем же выводам привело и исследование 240 звездообразующих галактических дисков.
Детальное моделирование показывает, что в то время, как у современных галактик обычное вещество, как правило, составляет примерно половину массы, на самых больших красных смещениях оно полностью определяет динамику галактик.
Новый результат не ставит под сомнение тот факт, что темная материя является фундаментальным компонентом Вселенной и доминирует над обычным веществом по массе. Его значение в том, что темная материя на ранних этапах развития Вселенной была распределена в галактических дисках и вне их не так, как сейчас.
