Составная часть Квинтета Стефана, визуальной группы из пяти галактик, построенная из почти 1000 отдельных файлов изображений, полученных с космического телескопа Джеймса Уэбба. Астрофизики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе полагают, что если теории холодной темной материи верны, телескоп Уэбба должен найти крошечные яркие галактики ранней Вселенной. Кредит: НАСА
За последние полтора года космический телескоп Джеймса Уэбба предоставил удивительные изображения далеких галактик, образовавшихся вскоре после Большого взрыва, давая ученым первые взгляды на зарождающуюся Вселенную. Теперь группа астрофизиков подняла ставку: найдите самые крошечные и самые яркие галактики вблизи начала самого времени, иначе ученым придется полностью переосмыслить свои теории о темной материи.
Команда, возглавляемая астрофизиками Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, провела моделирование, отслеживающее формирование малых галактик после Большого взрыва, и впервые включила ранее игнорированные взаимодействия между газом и темной материей. Они обнаружили, что созданные галактики очень крошечные, намного ярче и формируются быстрее, чем в типичных симуляциях, которые не принимают во внимание эти взаимодействия, а вместо этого обнаруживают гораздо более тусклые галактики.
Маленькие галактики, также называемые карликовыми галактиками, присутствуют по всей Вселенной, и часто считается, что они представляют собой самый ранний тип галактик. Таким образом, небольшие галактики особенно интересны для ученых, изучающих происхождение Вселенной. Но маленькие галактики, которые они находят, не всегда соответствуют тому, что, по их мнению, они должны найти. Те, что ближе всего к Млечному Пути, вращаются быстрее или не так плотны, как в моделировании, что указывает на то, что модели могли что-то упустить, например, взаимодействия газа и темной материи.
Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, улучшает моделирование, добавляя взаимодействие темной материи с газом, и обнаруживает, что эти слабые галактики, возможно, были намного ярче, чем ожидалось, на ранних этапах истории Вселенной, когда они только начинали формироваться. Авторы предлагают ученым попытаться найти небольшие галактики, которые намного ярче, чем ожидалось, с помощью таких телескопов, как телескоп Уэбба. Если они найдут только слабые, то некоторые из их представлений о темной материи могут оказаться ошибочными.
Темная материя — это тип гипотетической материи, которая не взаимодействует ни с электромагнетизмом, ни со светом. Таким образом, невозможно наблюдать с помощью оптики, электричества или магнетизма. Но темная материя действительно взаимодействует с гравитацией, и о ее присутствии можно судить по гравитационному воздействию, которое она оказывает на обычную материю — вещество, из которого состоит вся наблюдаемая Вселенная. Хотя считается, что 84% материи во Вселенной состоит из темной материи, напрямую ее никогда не обнаруживали.
Все галактики окружены огромным ореолом темной материи, и ученые полагают, что темная материя была необходима для их формирования. «Стандартная космологическая модель», которую астрофизики используют для понимания формирования галактик, описывает, как сгустки темной материи в самой ранней Вселенной притягивали обычную материю посредством гравитации, вызывая образование звезд и создавая галактики, которые мы видим сегодня. Поскольку считается, что большинство частиц темной материи, называемой холодной темной материей, движутся гораздо медленнее скорости света, этот процесс накопления должен был происходить постепенно.
Но более 13 миллиардов лет назад, до образования первых галактик, обычная материя, состоящая из водорода и гелия, образовавшегося в результате Большого взрыва, и темная материя двигались относительно друг друга. Газ протекал со сверхзвуковой скоростью мимо густых зарослей более медленно движущейся темной материи, которая должна была втянуть его в себя, чтобы сформировать галактики.
«Действительно, в моделях, которые не учитывают потоковую передачу, именно это и происходит», — сказала Клэр Уильямс, аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и первый автор статьи. «Газ притягивается гравитационным притяжением темной материи, образует сгустки и узлы настолько плотные, что может произойти синтез водорода, и, таким образом, образует звезды, подобные нашему Солнцу».
Но Уильямс и соавторы из команды сверхзвукового проекта, группы астрофизиков из США, Италии и Японии во главе с профессором физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Смадаром Наозом, обнаружили, добавили ли они эффект потокового потока с разными скоростями между темной и обычной материей к Согласно симуляциям, газ приземлился далеко от темной материи и не смог сразу образовать звезды.
Когда скопившийся газ вернулся в галактику миллионы лет спустя, одновременно произошел мощный взрыв звездообразования. Поскольку в этих галактиках было гораздо больше молодых, горячих и светящихся звезд, чем в обычных маленьких галактиках, какое-то время они сияли гораздо ярче.
«Хотя потоки подавляли звездообразование в самых маленьких галактиках, они также ускоряли звездообразование в карликовых галактиках, заставляя их затмевать неперетекающие участки Вселенной», — сказал Уильямс.
«Мы предсказываем, что телескоп Уэбба сможет находить области Вселенной, где галактики будут ярче, поскольку их скорость увеличивается. Тот факт, что они должны быть такими яркими, может облегчить телескопу обнаружение этих маленьких галактик, которые обычно чрезвычайно трудно обнаружить всего через 375 миллионов лет после Большого взрыва».
Поскольку темную материю невозможно изучать напрямую, поиск ярких пятен галактик в ранней Вселенной может стать эффективной проверкой теорий о темной материи, которые до сих пор были бесплодны.
«Открытие участков маленьких ярких галактик в ранней Вселенной подтвердило бы, что мы находимся на правильном пути с моделью холодной темной материи, потому что только скорость между двумя видами материи может создать тот тип галактики, который мы ищем». — сказал Наоз, профессор астрофизики Говарда и Астрид Престон. «Если темная материя не ведет себя как стандартная холодная темная материя и отсутствует эффект потоков, то эти яркие карликовые галактики не будут найдены, и нам придется вернуться к чертежной доске».
Информация от: Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе.
