Вращение галактик может хранить информацию о событиях, произошедших задолго до появления первых галактик. К такому выводу пришла международная команда исследователей, изучив связь между современным вращением галактик и распределением вещества в ранней Вселенной.
Результат даёт одно из наиболее убедительных на сегодняшний день подтверждений теории приливного гравитационного момента. Согласно этой модели, будущие галактики могли получить значительную часть своего вращательного движения ещё на очень ранних этапах формирования космической структуры, когда первые неоднородности вещества взаимодействовали друг с другом посредством гравитации.
Особенно отчётливой эта связь оказалась для газа в крупных массивных эллиптических галактиках. Полученные данные показывают, что вращение некоторых современных галактик действительно может содержать своеобразный «отпечаток» процессов, происходивших на заре существования Вселенной.
Откуда вообще берётся вращение галактик
Большинство галактик не являются неподвижными скоплениями звёзд.
Звёзды и газ внутри них движутся вокруг общего центра, а характер этого движения во многом определяет структуру самой галактики. Вращение связано с её размером, формой и внутренней динамикой.
Особенно хорошо вращение заметно у спиральных галактик. В таких системах звёзды и газ движутся в диске, формируя характерную структуру с рукавами.
Но происхождение первоначального вращательного движения галактик долгое время оставалось важной проблемой.
Галактики формируются из вещества, которое изначально распределено во Вселенной далеко не равномерно. В ранней Вселенной существовали области с немного повышенной плотностью вещества. Со временем их гравитация усиливалась, они притягивали окружающее вещество и постепенно становились основой будущих галактик и более крупных структур.
Возникает вопрос: каким образом эти первоначальные сгустки вещества получили вращение?
Одна из наиболее известных идей связывает это с гравитационным воздействием соседних неоднородностей.
Что такое приливный гравитационный момент
Название теории связано с приливным воздействием гравитации.
На Земле приливы возникают потому, что разные части планеты испытывают немного различное гравитационное воздействие со стороны Луны и Солнца.
Похожий принцип можно применять к очень большим космическим структурам.
Представим ранний сгусток вещества, который ещё не превратился в галактику. Если он имеет вытянутую или неправильную форму и находится рядом с более массивной областью, гравитационное притяжение будет действовать на разные части сгустка немного по-разному.
Ближайшая к массивному соседу часть будет испытывать более сильное воздействие, чем дальняя.
Такое неравномерное притяжение способно сообщить сгустку вещества вращательное движение.
В дальнейшем этот вращающийся сгусток становится частью формирующейся галактики.
Согласно теории, определённая часть первоначального вращательного движения должна сохраниться и проявиться в свойствах уже сформировавшейся галактики.
Почему доказать эту связь оказалось трудно
Идея выглядит относительно простой, но проверить её наблюдениями значительно сложнее.
Между ранней Вселенной и современными галактиками прошли миллиарды лет.
За это время галактики переживали многочисленные процессы.
Они сталкивались и сливались друг с другом, поглощали другие галактики, накапливали газ, формировали звёзды и меняли собственную структуру.
Гравитационное взаимодействие с окружающей средой продолжалось всё это время.
Поэтому первоначальный сигнал мог сильно измениться или практически исчезнуть.
Исследователям необходимо было отделить древний эффект от огромного количества последующих процессов, которые происходили с галактиками.
Именно это сделало задачу поиска первичного «отпечатка» настолько сложной.
Исследователи восстановили картину ранней Вселенной
Для проверки теории команда под руководством Мин-Цзе Шэна из Сямэньского университета использовала данные проекта ELUCID.
Этот проект позволяет реконструировать распределение вещества во Вселенной, используя информацию о положении галактик, которые наблюдаются сегодня.
Иными словами, исследователи начали с современной Вселенной и с помощью реконструкции проследили, как распределение вещества могло выглядеть на более ранних этапах космической истории.
Это особенно важно для данной задачи.
Невозможно напрямую наблюдать современными телескопами конкретный первичный сгусток вещества, из которого миллиарды лет назад сформировалась определённая галактика.
Но можно использовать современное распределение галактик как основу для реконструкции более ранней структуры.
От современной галактики — к древним гравитационным взаимодействиям
Следующим этапом стало сравнение двух наборов информации.
Первый описывал наблюдаемое вращение галактик.
Второй показывал, каким должно было быть направление вращения, если его происхождение действительно связано с приливным воздействием первичной структуры.
Таким образом, исследователи проверяли, существует ли статистически значимая связь между современным вращением и древними гравитационными воздействиями.
Это существенно отличается от простой демонстрации того, что отдельная галактика вращается.
Само по себе вращение ничего не говорит о его происхождении.
Значение имеет совпадение между большим количеством современных измерений и предсказаниями, основанными на реконструированной ранней структуре Вселенной.
Особенно сильный результат дали массивные эллиптические галактики
Наиболее выраженная связь обнаружилась в газе крупных массивных эллиптических галактик.
Это важный результат, поскольку эллиптические галактики заметно отличаются от хорошо знакомых спиральных систем.
У них нет ярко выраженного плоского диска и спиральных рукавов, а движение звёзд и газа имеет более сложную структуру.
Тем не менее газ внутри таких галактик сохраняет информацию о движении системы.
Исследователи сравнили измеренное вращение газа с предсказанным древним приливным рисунком и обнаружили сильное совпадение.
Статистическая значимость результата оказалась настолько высокой, что случайное совпадение стало крайне маловероятным.
Именно поэтому авторы рассматривают результат как наиболее убедительное на сегодняшний день свидетельство первичного приливного «отпечатка» в вращении современных галактик.
Почему газ оказался особенно полезен
Галактики состоят из разных компонентов.
В них находятся звёзды, межзвёздный газ, пыль и тёмная материя.
Движение каждого компонента может иметь свои особенности.
Газ особенно удобен для исследования кинематики, поскольку его движение можно измерять по спектральным характеристикам излучения.
Наблюдения позволяют определить, как газ перемещается внутри галактики и в каком направлении происходит вращение.
Именно такие измерения использовались для проверки предсказаний реконструкции ранней Вселенной.
В результате исследователи получили возможность сравнить современное состояние галактики с гравитационным окружением, существовавшим на гораздо более раннем этапе её формирования.
Это не означает, что галактики вращаются строго по древнему сценарию
Новый результат не говорит о том, что современное вращение каждой галактики полностью определяется условиями ранней Вселенной.
Это было бы слишком сильным выводом.
За миллиарды лет галактики подвергались многочисленным изменениям.
Слияния могли существенно изменить направление вращения.
Неупорядоченный рост и взаимодействие с окружающей материей также способны нарушать первоначальную картину.
Поэтому современная галактика является результатом как древних процессов, так и последующей эволюции.
Исследователи обнаружили именно статистическую связь, которая сохраняется несмотря на последующие изменения.
Галактические столкновения могут «перемешивать» древний сигнал
Слияния галактик являются одним из важнейших процессов эволюции Вселенной.
Когда две галактики сближаются и взаимодействуют, их звёзды и газ подвергаются сильному гравитационному воздействию.
В конечном итоге две системы могут объединиться в одну.
Такие события способны полностью изменить структуру галактики и её внутреннюю динамику.
Поэтому первоначальный момент, полученный ещё на стадии формирования космической структуры, не должен сохраняться идеально.
Тем не менее результаты нового исследования показывают, что часть информации способна пережить последующую эволюцию.
Это делает современное вращение галактик неожиданным источником сведений о прошлом Вселенной.
Галактики можно рассматривать как космические архивы
Обычно астрономы изучают далёкие галактики для того, чтобы непосредственно увидеть прошлое Вселенной.
Чем дальше находится галактика, тем более древний свет мы наблюдаем.
Однако новое исследование предлагает другой подход.
Современные галактики сами могут хранить информацию о событиях, происходивших очень давно.
Их движение, расположение и внутренняя структура становятся своеобразными архивами космической истории.
В этом смысле вращение галактики — не просто характеристика её нынешнего состояния.
Оно может содержать сведения о гравитационной среде, в которой эта галактика формировалась.
Это особенно важно для изучения ранней Вселенной
Непосредственные наблюдения самых ранних этапов существования Вселенной чрезвычайно сложны.
Астрономы используют космическое микроволновое фоновое излучение, далёкие галактики, квазары и другие наблюдаемые явления.
Но каждый из этих методов имеет собственные ограничения.
Если вращение галактик действительно сохраняет информацию о первичных приливных воздействиях, его можно использовать как ещё один независимый способ изучения ранней космической структуры.
Такой метод не заменит существующие наблюдения.
Он может дополнить их.
Возможность изучать свойства невидимой материи
Распределение галактик определяется не только обычным веществом.
Большую роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной играет тёмная материя.
Она не испускает и не отражает свет, но проявляет себя через гравитацию.
Именно гравитационные взаимодействия тёмной и обычной материи влияют на формирование космической сети, в которую входят галактики, группы и скопления.
Поэтому информация о древних приливных силах потенциально связана с характеристиками всей структуры вещества, включая компоненты, которые невозможно наблюдать непосредственно.
В будущем можно будет изучать нейтрино
Исследователи указывают и на ещё одну потенциально важную возможность.
Нейтрино — чрезвычайно лёгкие частицы, которые практически не взаимодействуют с обычным веществом.
Они образуются в огромных количествах в различных космических процессах и существуют в больших количествах по всей Вселенной.
Измерить их свойства напрямую в космологических масштабах очень трудно.
Однако нейтрино могут влиять на распределение вещества и развитие крупномасштабной структуры.
Если их воздействие оставляет заметный след в первичных приливных полях, информация о вращении галактик в будущем может помочь исследовать и этот эффект.
Пока это остаётся перспективным направлением, а не установленным способом измерения свойств нейтрино.
Почему обнаруженный сигнал особенно ценен
Космология часто работает с очень слабыми статистическими эффектами.
Отдельная галактика может вести себя совершенно не так, как предсказывает простая модель.
Но если одинаковая закономерность появляется в большой выборке объектов, она становится значительно более информативной.
Именно поэтому исследователи работали с большим количеством галактик и сравнивали наблюдаемую кинематику с реконструированным первичным распределением вещества.
Сильная статистическая связь значительно уменьшает вероятность того, что обнаруженный эффект возник случайно.
Что исследование говорит о происхождении галактик
Полученные результаты поддерживают представление о том, что формирование галактик нельзя рассматривать как полностью независимый процесс.
Современная галактика связана со своим космическим окружением.
Её свойства частично определяются тем, как распределялось вещество вокруг неё на ранних этапах развития Вселенной.
Гравитация соседних неоднородностей могла влиять на будущую галактику ещё до того, как она сформировалась как самостоятельная система.
Это подчёркивает важность крупномасштабной структуры Вселенной для понимания свойств отдельных галактик.
Отпечаток оказался сильнее, чем ожидалось
Особенность нового результата заключается не только в самом обнаружении связи.
Исследователи получили её с высокой статистической значимостью, несмотря на то, что за миллиарды лет первоначальная информация должна была подвергнуться сильному искажению.
Галактики росли, сталкивались, поглощали другие системы и взаимодействовали с космической средой.
Тем не менее определённая информация о первоначальном гравитационном воздействии сохранилась.
Это означает, что современные галактики могут быть более информативными свидетелями ранней Вселенной, чем предполагалось.
Новая возможность для космологии
Если метод удастся развить, астрономы получат дополнительный инструмент для изучения фундаментальных свойств Вселенной.
Вместо того чтобы ограничиваться наблюдением древнего света, можно будет анализировать динамику современных галактик и искать в ней следы первичных процессов.
Это особенно интересно потому, что современная Вселенная содержит огромное количество галактик.
Каждая из них является потенциальным объектом для изучения.
Чем больше качественных измерений движения газа и звёзд будет доступно, тем точнее можно будет проверять связь между современной структурой и условиями ранней Вселенной.
Что ещё предстоит выяснить
Новый результат не закрывает вопрос о происхождении вращения галактик.
Необходимо проверить обнаруженную закономерность на других выборках и для других типов галактик.
Важно также понять, почему наиболее выраженная связь наблюдается именно в газе массивных эллиптических галактик.
Дополнительные исследования помогут определить, насколько универсален обнаруженный эффект и какую часть современного вращения можно связать с первичными приливными воздействиями.
Отдельная задача — отделить древний сигнал от изменений, вызванных последующими слияниями и ростом галактик.
Современная Вселенная хранит память о своём начале
Одно из наиболее интересных следствий исследования заключается в том, что история Вселенной может быть записана не только в древнем излучении.
Она проявляется и в движении материи, существующей сегодня.
Галактики, которые мы наблюдаем в относительно близкой к нам части Вселенной, сформировались миллиарды лет назад. Их современный вид является результатом огромного количества процессов, происходивших на протяжении космической истории.
Тем не менее некоторые особенности их движения могут восходить к значительно более раннему времени — к эпохе, когда будущие галактики ещё представляли собой неоднородные сгустки газа и тёмной материи.
Галактическое вращение стало ещё одним окном в прошлое
Астрономия располагает множеством способов изучать историю космоса: от наблюдений реликтового излучения до карт крупномасштабного распределения галактик.
Теперь к ним может добавиться ещё один инструмент — анализ вращения галактик как сохранившегося следа древних гравитационных взаимодействий.
Исследование показывает, что направление движения вещества внутри современных галактик статистически связано с приливными силами, действовавшими на первичную структуру Вселенной.
Это не означает, что современные галактики полностью «запрограммированы» своим происхождением. Их дальнейшая история была сложной и во многих случаях сильно изменила первоначальное состояние.
Но часть древней информации всё же пережила миллиарды лет эволюции.
Именно поэтому вращение галактик теперь можно рассматривать не только как характеристику их настоящего, но и как своеобразный космический отпечаток далёкого прошлого.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
