Астрономы обнаружили тонкий поток звёзд, протянувшийся от шарового звёздного скопления в далёкой галактике UGC 9050-Dw1. Объект находится примерно в 115 миллионах световых лет от Земли и относится к необычному классу ультрадиффузных галактик. Наблюдение стало первым свидетельством существования потока звёзд, происходящего из шарового скопления, за пределами Млечного Пути.
Однако главное значение открытия связано не только с самим потоком. Его форма зависит от гравитации галактики-хозяина, а значит, по движению и структуре звёзд можно оценить распределение невидимой массы. Использовав компьютерное моделирование потока, исследователи получили первое ограничение массы и плотности гало тёмной материи ультрадиффузной галактики непосредственно по звёздному потоку.
Такой способ особенно интересен потому, что традиционные методы определения массы подобных галактик работают плохо. UGC 9050-Dw1 содержит относительно мало звёзд и обладает очень низкой поверхностной яркостью, поэтому измерять её внутреннюю динамику значительно сложнее, чем динамику обычных ярких галактик.
Новое наблюдение показывает, что потоки звёзд из шаровых скоплений могут стать дополнительным инструментом изучения тёмной материи не только в Млечном Пути, но и в других галактиках.
Почему потоки звёзд важны для изучения тёмной материи
Звёздный поток представляет собой вытянутую структуру из звёзд, которые когда-то находились в одном компактном объекте, но постепенно были отделены от него гравитационным воздействием галактики.
Особенно хорошо этот процесс известен для шаровых скоплений. Они состоят из большого количества звёзд, связанных общей гравитацией и обращающихся вокруг центра своей галактики. При движении по галактической орбите на скопление действует приливное воздействие окружающего гравитационного поля.
Постепенно часть звёзд может покидать скопление. Они не исчезают бесследно, а продолжают двигаться по близким орбитам, формируя длинные и узкие структуры — приливные потоки.
Именно поэтому поток можно использовать как своеобразный индикатор гравитационного поля.
Гравитация оставляет след в форме потока
Звёзды в потоке движутся не совершенно независимо друг от друга. Их траектории определяются гравитационным полем галактики, вокруг которой они обращаются.
Если известна форма потока и характеристики его звёзд, можно построить модели различных вариантов распределения массы в галактике и проверить, какой из них лучше всего воспроизводит наблюдаемую структуру.
Это особенно важно для тёмной материи.
Сама тёмная материя не излучает свет и не отражает его так, чтобы её можно было непосредственно увидеть обычными телескопами. Но её гравитация влияет на движение звёзд и других объектов.
Поэтому исследователям не обязательно видеть тёмную материю напрямую. Достаточно измерить её гравитационное воздействие.
Потоки из шаровых скоплений уже изучались в Млечном Пути
Астрономы давно используют звёздные потоки для исследования нашей собственной Галактики.
В Млечном Пути известно множество таких структур. Некоторые из них связаны с шаровыми скоплениями, другие возникли в результате разрушения карликовых галактик.
Звёзды в подобных потоках могут распространяться на огромные расстояния, сохраняя при этом информацию о первоначальном объекте и гравитационной среде, через которую они двигались.
Именно благодаря этому потоки стали одним из инструментов изучения гало Млечного Пути.
Однако до недавнего времени существовала принципиальная проблема: такой метод был фактически доступен только для нашей Галактики.
Почему Млечный Путь было легче изучать
Мы находимся внутри Млечного Пути, поэтому можем наблюдать отдельные звёзды в его потоках и измерять их положение, движение и другие характеристики.
Для далёких галактик ситуация совершенно иная. Даже относительно яркие отдельные звёзды там обычно невозможно разрешить с помощью обычных наблюдений.
Особенно сложно обнаруживать потоки шаровых скоплений. Они очень протяжённые, но чрезвычайно тусклые. На фоне яркой галактики такая структура может практически полностью теряться.
Поэтому существование подобных потоков в других галактиках долгое время предполагалось теоретически, но непосредственно увидеть их не удавалось.
Открытие в UGC 9050-Dw1 изменило ситуацию.
Что представляет собой UGC 9050-Dw1
UGC 9050-Dw1 относится к классу ультрадиффузных галактик, или UDG.
Это необычные галактики с очень низкой поверхностной яркостью. По размерам некоторые из них могут быть сопоставимы с гораздо более крупными галактиками, но звёзд в них намного меньше.
Именно сочетание большого пространственного размера и крайне низкой плотности звёзд делает ультрадиффузные галактики необычными объектами для исследований.
UGC 9050-Dw1 находится примерно в 35,2 мегапарсека от Земли, то есть примерно в 115 миллионах световых лет. Она, вероятно, связана с более крупной низкоповерхностной спиральной галактикой UGC 9050.
Почему тусклость галактики помогла обнаружить поток
Обычно низкая поверхностная яркость является серьёзной проблемой для астрономов. Чем слабее светит галактика, тем сложнее обнаружить расположенные внутри неё слабые структуры.
В данном случае произошло необычное сочетание обстоятельств.
UGC 9050-Dw1 сама по себе настолько тусклая и содержит настолько мало звёзд, что вокруг шарового скопления оказался относительно тёмный фон. На нём слабый поток удалось выделить.
Если бы та же структура находилась на фоне гораздо более яркой галактики, её обнаружение было бы значительно сложнее.
Таким образом, особенность самой галактики, которая обычно мешает наблюдениям, в данном случае помогла обнаружить чрезвычайно слабую структуру.
Как обнаружили поток
Структура была найдена при детальном анализе изображений космического телескопа Hubble.
На снимках UGC 9050-Dw1 исследователи обнаружили тонкую дугообразную структуру, отходящую от компактного объекта, который может быть родительским шаровым скоплением.
Поток получил название Oyashio.
Наблюдаемая часть структуры имеет длину около 2 килопарсек, то есть примерно 6500 световых лет. При этом она находится примерно в 2,5 килопарсека, или около 8150 световых лет, от центра UGC 9050-Dw1 в проекции на небесную плоскость.
Поток оказался очень узким
Ширина обнаруженной структуры составляет около 72 световых лет по характерному профилю, использованному исследователями.
Это значительно меньше, чем ширина потоков, происходящих от более массивных карликовых галактик.
Именно узкость структуры является одним из аргументов в пользу того, что её источником было шаровое скопление, а не разрушившаяся карликовая галактика.
У карликовой галактики значительно больше собственного гравитационно связанного вещества, поэтому возникающий после её разрушения поток обычно имеет другую структуру и большую ширину.
Независимые наблюдения подтвердили, что это не артефакт
Одной фотографии было бы недостаточно для столь необычного открытия.
Поток удалось обнаружить не только на изображениях Hubble, но и в архивных данных наземного телескопа Canada–France–Hawaii Telescope.
Структура видна в нескольких фильтрах CFHT, включая диапазоны g, r и i. При этом в u- и z-диапазонах её уверенно обнаружить не удалось, что согласуется с ожидаемыми характеристиками слабой звёздной популяции.
Независимое обнаружение структуры в данных разных телескопов существенно снижает вероятность того, что речь идёт об особенностях обработки изображения, дефекте детектора или другом техническом артефакте.
Почему астрономы считают поток связанным с шаровым скоплением
Одного внешнего вида недостаточно, чтобы определить происхождение подобной структуры.
Исследователи изучили не только форму потока, но и его цвет, а также характеристики компактного объекта, расположенного рядом с его началом.
Цвет потока оказался очень близок к цвету предполагаемого родительского скопления. Это важно, поскольку звёзды, происходящие из одного шарового скопления, должны иметь связанную историю формирования и поэтому сходные характеристики звёздного населения.
Поток и компактный объект также попадают в область параметров, соответствующую кандидатам в шаровые скопления UGC 9050-Dw1.
Совокупность этих признаков поддерживает интерпретацию, согласно которой обнаруженная структура является приливным потоком от шарового скопления.
Почему это не называют просто разрушенной галактикой
В астрономии звёздные потоки могут иметь разные источники.
Если разрушению подвергается карликовая галактика, её поток обычно сохраняет следы более массивного и сложного первоначального объекта. Он может быть шире и иметь другую структуру.
Поток Oyashio значительно уже известных потоков, происходящих от карликовых галактик. Его характеристики лучше соответствуют потоку, возникшему при постепенном разрушении шарового скопления.
При этом исследователи формулируют результат как свидетельство и интерпретацию, поддержанную наблюдениями и моделированием, а не как непосредственное наблюдение отдельных звёзд, однозначно показывающее их происхождение.
Как тёмная материя влияет на судьбу шарового скопления
Шаровое скопление обращается вокруг галактики в её гравитационном поле.
Это поле создаётся всей массой галактики. Видимая часть представлена звёздами, газом и другими обычными компонентами. Но в современных моделях значительная доля общей массы галактик приходится на тёмную материю.
Её распределение влияет на движение шарового скопления.
Когда скопление проходит по своей орбите, гравитационное поле галактики постепенно отделяет от него часть звёзд. Освободившиеся звёзды продолжают двигаться по траекториям, близким к траектории самого скопления.
Так формируется поток.
Получается важная связь: свойства потока зависят от гравитационного поля, а гравитационное поле зависит от распределения массы, включая тёмную материю.
По потоку можно оценить массу галактики
Исследователи использовали специальное динамическое моделирование, чтобы определить, какие параметры родительского скопления и гало галактики способны воспроизвести наблюдаемую форму потока.
Для этого применялся генеративный подход к моделированию звёздного потока. Компьютерные модели создавали различные варианты потока при разных параметрах гравитационного поля UGC 9050-Dw1.
Затем полученные структуры сравнивались с реальным наблюдением.
Если определённый набор параметров воспроизводит наблюдаемую форму значительно лучше других вариантов, он позволяет ограничить возможные свойства галактики.
Именно таким образом слабая полоска света превращается в инструмент измерения невидимой массы.
Что именно измеряет такой метод
Важно понимать, что телескоп не обнаруживает частицы тёмной материи.
Исследователи измеряют свет от обычных звёзд и их пространственную структуру. Затем используют физическую модель, связывающую движение этих звёзд с гравитационным полем.
Из наблюдаемой динамики выводится информация о полной массе системы.
Поскольку количество обычного вещества можно оценивать отдельно, оставшаяся масса связывается с тёмной материей.
Такой метод относится к косвенным измерениям: тёмную материю не видят, но регистрируют её гравитационное воздействие.
Первые ограничения на гало тёмной материи UGC 9050-Dw1 по звёздному потоку
Моделирование показало, что UGC 9050-Dw1 обладает массивным гало тёмной материи.
Исследователи получили оценку масштаба массы гало около 10¹¹·³ солнечных масс с указанными в работе доверительными интервалами. Для полной массы гало, выраженной через стандартный параметр M200, была получена оценка около 10¹¹·⁶ солнечных масс.
Для научно-популярного объяснения важнее другое: речь идёт о первом ограничении массы и профиля плотности гало ультрадиффузной галактики, полученном непосредственно из анализа звёздного потока.
Это новый тип измерения для подобных объектов.
Почему эти оценки важны
Массу ультрадиффузных галактик трудно определять традиционными методами.
У обычных спиральных галактик можно изучать вращение диска: скорость вращения вещества зависит от гравитационного поля и поэтому позволяет оценивать массу.
У карликовых и ультрадиффузных галактик такие измерения значительно сложнее. Они тусклые, содержат мало газа, а движение отдельных звёзд трудно измерить с достаточной точностью на огромных расстояниях.
Поток шарового скопления предоставляет другой источник информации.
Его форма непосредственно связана с гравитационным полем, через которое движется скопление.
Ультрадиффузные галактики особенно интересны для исследований тёмной материи
UGC 9050-Dw1 относится к классу галактик, свойства которых до сих пор изучены недостаточно хорошо.
Ультрадиффузные галактики могут иметь размеры, сопоставимые с гораздо более крупными галактиками, но содержать намного меньше звёзд.
Это означает, что видимое вещество не доминирует в их структуре так же очевидно, как в некоторых других галактических системах.
Поэтому вопрос о том, сколько в таких объектах тёмной материи и как именно она распределена, представляет большой интерес.
Размер галактики не всегда означает большое количество звёзд
UGC 9050-Dw1 хорошо демонстрирует важное различие между физическим размером галактики и количеством содержащихся в ней звёзд.
Ультрадиффузная галактика может занимать значительный объём пространства, оставаясь очень тусклой.
Именно поэтому такие объекты трудно изучать традиционными фотометрическими методами.
Но их необычные свойства одновременно делают их интересной лабораторией для проверки моделей формирования галактик и распределения тёмной материи.
Поток Oyashio даёт возможность изучать тёмную материю в другой галактике
До этого звёздные потоки шаровых скоплений использовались для изучения тёмной материи прежде всего в Млечном Пути.
Теперь тот же принцип впервые применён к другой галактике.
Это важное отличие от простого обнаружения ещё одного далёкого звёздного объекта.
Если метод работает только в нашей Галактике, возможности его применения ограничены одной системой. Если же его удастся использовать для внешних галактик, астрономы смогут сравнивать распределение тёмной материи в разных галактических окружениях.
Это позволит проверить, насколько универсальны существующие модели.
Что означает «первый» обнаруженный поток
Результат не означает, что до этого момента считалось, будто в других галактиках вообще не существует подобных структур.
Теория предсказывает, что шаровые скопления должны терять звёзды под действием приливных сил и в других галактиках.
Проблема заключалась в наблюдении.
Такие потоки чрезвычайно тусклые, а расстояния до внешних галактик огромны. Поэтому их обнаружение требует очень глубоких изображений и благоприятных условий.
В данном случае сочетание чувствительности Hubble, архивных данных CFHT и низкой поверхностной яркости самой галактики позволило выделить структуру.
Именно поэтому открытие называют первым свидетельством такого потока за пределами Млечного Пути.
Поток может сохраняться миллиарды лет
Звёзды, потерянные шаровым скоплением, не исчезают сразу.
После отделения от скопления они продолжают двигаться по близким орбитам, формируя длинные приливные структуры.
Такие потоки могут сохраняться в течение очень длительного времени. Поэтому их современная форма содержит информацию не только о нынешнем состоянии галактики, но и о динамической истории системы.
Для астрономов это особенно ценно: поток представляет собой своеобразную запись действия гравитации.
Поток чувствителен к структуре гало
Если гравитационное поле галактики меняется с расстоянием от её центра, это отражается на траекториях звёзд.
Поэтому анализ потока может дать информацию не только о полной массе галактики, но и о том, как эта масса распределена.
Именно распределение тёмной материи представляет особый интерес.
В исследовании удалось получить оценку внутреннего наклона профиля плотности гало. Полученное значение указывает на распределение, несколько менее «полое» в центре, чем характерно для некоторых других ультрадиффузных галактик, хотя неопределённость результата остаётся существенной.
Это важно, поскольку разные модели природы и поведения тёмной материи предсказывают разные свойства её распределения внутри галактик.
Результат не означает, что природа тёмной материи уже раскрыта
Обнаружение потока и оценка массы гало не являются прямым обнаружением частиц тёмной материи.
Астрономы по-прежнему не знают, из чего состоит тёмная материя.
Наблюдения показывают, что во Вселенной существует дополнительный источник гравитации, который нельзя объяснить только наблюдаемым обычным веществом. Но конкретная физическая природа этого компонента остаётся неизвестной.
Новое исследование отвечает на более узкий вопрос: как распределена невидимая масса в конкретной далёкой галактике и можно ли измерять её свойства по движению звёздного потока.
Ответ оказался положительным в рамках использованной модели.
Почему это открывает новый способ исследования других галактик
Главное достоинство метода — его универсальность.
Если астрономы смогут обнаруживать подобные потоки в других галактиках, каждый из них потенциально станет отдельным измерением гравитационного поля.
Получится возможность изучать не одну галактику, а целую выборку объектов с разными массами, формами и историями формирования.
Это особенно важно для проверки моделей тёмной материи.
Можно будет сравнивать разные типы галактик
В Млечном Пути тёмную материю изучают различными способами: по движению звёзд, газу, спутниковым галактикам, гравитационному линзированию и звёздным потокам.
Но одна галактика не может полностью показать, как ведёт себя тёмная материя в различных условиях.
Внешние галактики дают возможность сравнить результаты.
Если потоки шаровых скоплений будут обнаружены в спиральных, эллиптических, карликовых и ультрадиффузных галактиках, можно будет исследовать, меняется ли структура тёмной материи вместе со свойствами галактики.
Hubble уже позволил найти поток в архивных данных
Особенно интересно, что открытие было сделано не благодаря специально созданной новой космической миссии.
Исследователи использовали глубокие изображения UGC 9050-Dw1, полученные космическим телескопом Hubble ранее.
Это показывает, насколько важными могут быть архивные астрономические данные.
Телескоп может завершить первоначальную программу наблюдений, но его изображения продолжают использоваться для новых исследований. По мере появления более совершенных методов обработки данных старые наблюдения иногда позволяют находить структуры, которые раньше оставались незамеченными.
В данном случае анализ существующих данных привёл к обнаружению очень слабого потока.
Новые телескопы должны значительно увеличить число таких находок
Одно из главных последствий открытия заключается в том, что оно показывает реальную наблюдаемость подобных объектов.
Если поток удалось обнаружить на расстоянии около 115 миллионов световых лет в архивных данных Hubble, то более широкие и чувствительные обзоры могут найти гораздо больше аналогичных структур.
Особенно большие надежды связаны с будущими и уже работающими широкоугольными обсерваториями.
Roman сможет наблюдать гораздо большую площадь неба
Космический телескоп Nancy Grace Roman будет обладать значительно более широким полем зрения, чем Hubble.
Ожидается, что его поле зрения будет примерно в 100 раз больше поля зрения Hubble.
Это важно именно для поиска редких слабых структур.
Hubble способен получать очень глубокие изображения, но его поле зрения относительно невелико. Для поиска редких потоков необходимо просматривать большое количество галактик.
Широкоугольная обсерватория существенно повышает вероятность найти новые примеры.
Euclid также расширяет возможности поиска
Европейская космическая обсерватория Euclid предназначена для больших обзоров Вселенной и изучения крупномасштабной структуры, тёмной материи и тёмной энергии.
Хотя её научные задачи шире поиска звёздных потоков, большие объёмы данных могут оказаться полезными и для обнаружения слабых структур вокруг галактик.
Чем больше галактик будет исследовано, тем выше вероятность найти новые потоки шаровых скоплений.
Что можно будет узнать из множества потоков
Один поток показывает свойства одной конкретной галактики.
Большая выборка позволит перейти к более общим выводам.
Астрономы смогут сравнивать массу гало, его внутреннюю структуру и возможные подструктуры в разных галактиках.
Это важно для проверки космологических моделей, поскольку тёмная материя должна не просто существовать, но и формировать определённую структуру вокруг галактик.
Потоки могут помочь обнаруживать неоднородности тёмного гало
Гало тёмной материи не обязательно является идеально гладким.
Современные модели формирования галактик предсказывают наличие небольших подгало и неоднородностей.
Такие структуры могут изменять движение звёзд в потоке.
Если в будущем удастся получить достаточно подробные наблюдения, локальные изменения формы потока могут использоваться для поиска подобных гравитационных возмущений.
Это особенно интересно потому, что небольшие подгало могут практически не содержать обычных звёзд и поэтому быть невидимыми непосредственно.
Почему открытие важно именно для ультрадиффузных галактик
Природа ультрадиффузных галактик остаётся предметом исследований.
Одни из них могут возникать в результате взаимодействий и слияний галактик, другие — формироваться по другим сценариям.
В случае UGC 9050-Dw1 уже были признаки сложной истории формирования и богатой популяции шаровых скоплений.
Обнаружение потока добавляет ещё один элемент к картине её эволюции.
Но оно не означает, что история формирования этой галактики теперь полностью известна. Напротив, новые данные дают дополнительный способ изучать её гравитационную структуру.
Масса звёзд в UGC 9050-Dw1 намного меньше общей массы системы
Моделирование показывает, что обычное вещество составляет лишь небольшую долю общей массы системы.
Оценка звёздной массы внутри характерной области галактики составляет порядка 10 миллионов солнечных масс, тогда как оценка массы гало, полученная из моделирования потока, значительно выше.
Именно такая разница позволяет использовать поток для исследования тёмной материи.
Если бы практически вся масса находилась в видимых звёздах, гравитационное поле можно было бы приблизительно восстановить по их распределению.
В UGC 9050-Dw1 видимого вещества недостаточно для объяснения полученной динамической картины, поэтому существенный вклад невидимой массы становится необходимым в используемой модели.
Открытие одновременно подтверждает и расширяет известный метод
В научном смысле работа интересна тем, что здесь не изобретён совершенно новый физический принцип.
Метод изучения тёмной материи по звёздным потокам уже применялся в Млечном Пути.
Новизна заключается в переносе этого метода на другую галактику.
Это важный шаг от исследования одного объекта к потенциально универсальному инструменту.
Если будущие наблюдения подтвердят аналогичные потоки в других системах, астрономы получат независимый способ сравнивать распределение тёмной материи за пределами нашей Галактики.
Что пока остаётся неизвестным
Несмотря на значимость результата, обнаруженный объект ещё требует дополнительных наблюдений.
Прежде всего необходимо повысить уверенность в природе потока и точнее определить свойства его родительского шарового скопления.
Более глубокие наблюдения Hubble или James Webb Space Telescope могли бы помочь лучше отделить структуру от фоновых объектов и уточнить её происхождение. Спектроскопические наблюдения также способны сравнить звёздные популяции потока и предполагаемого родительского скопления.
Это особенно важно потому, что на таком расстоянии астрономы не могут рассматривать поток так же подробно, как аналогичные структуры в Млечном Пути.
Новая карта тёмной материи может начаться с тонкой полосы света
Обнаруженный поток Oyashio чрезвычайно слаб по сравнению с самой галактикой и находится на расстоянии около 115 миллионов световых лет. Тем не менее его форма оказалась достаточно информативной, чтобы использовать её для оценки гравитационного поля UGC 9050-Dw1.
Шаровое скопление постепенно теряет звёзды под действием приливных сил. Освободившиеся звёзды образуют поток, форма которого определяется гравитацией галактики. Поскольку в этой гравитации участвует тёмная материя, поток становится косвенным индикатором её распределения.
Именно это делает открытие важным для современной астрономии.
До сих пор такие потоки удавалось использовать для изучения тёмной материи преимущественно в Млечном Пути. Теперь появился первый пример, показывающий, что тот же подход можно применять к внешней галактике.
В дальнейшем значение этого результата будет зависеть от того, удастся ли обнаружить новые аналогичные структуры. Если широкие обзоры найдут десятки или сотни потоков вокруг других галактик, они могут превратиться в целую систему независимых измерений тёмной материи.
Тогда астрономы смогут сравнивать не только отдельные галактики, но и разные типы галактических систем, изучая, как распределение невидимой массы связано с формированием и эволюцией галактик. Поток звёзд, который сегодня выглядит как едва заметная дуга на изображении далёкой галактики, в таком случае станет одним из инструментов для составления более подробной карты тёмной материи во Вселенной.
Статья создана по материалам UniverseToday.com
