Астрономы не смогли найти достаточно спутниковых галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути
Астрономы не смогли найти достаточно спутниковых галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути. Теперь у них есть противоположная проблема, предполагающая, что наше понимание того, как строятся галактики, является неполным.
Это моделирование темной материи в галактическом гало показывает наличие множества скоплений темной материи. Астрономы хотят знать, насколько массивным должен быть каждый комок, чтобы привлечь достаточно обычного вещества, чтобы сформировать галактику-карлик.
згляните в небо из Южного полушария, и трудно пропустить Большое Магелланово Облако. Тот факт, что он похож на одно из спиральных рукавов Млечного Пути, хотя и меньше, показывает, что это небольшая галактика, примерно 30 000 световых лет с несколькими миллиардами звезд. Действительно, любой маленький телескоп покажет, что он рассеян светящимися туманностями, которые проколоты темными порциями пыли.
И это не единственная спутниковая галактика, которая медленно вращается вокруг Млечного Пути. К 1999 году астрономы обнаружили дюжину спутников, многие из которых были невидимы невооруженным глазом. Но в то время компьютерное моделирование эволюции Вселенной предсказывало, что в окрестностях Млечного Пути будет кипеть активность — здесь будет размещено не дюжина, а тысячи крошечных спутников. Так где же пропали спутники ?
Эта астрономическая загадка преследовала астрономов в течение почти двух десятилетий. Исследователи предложили ряд возможных объяснений . Некоторые включали в себя новые идеи о том, как развиваются галактики. Другие предположили существование экзотических форм темной материи — таинственной субстанции, которая составляет 84 процента материи во вселенной.
Но за последние несколько лет произошло нечто странное. Новые исследования позволили астрономам найти больше спутниковых галактик, которые ранее были спрятаны. В то же время обновленное компьютерное моделирование предсказывало существование гораздо меньшего числа галактик, чем их предшественники.
Фактически, оценки чисел галактик из наблюдательных исследований и из теоретического моделирования сходились так быстро, что в конечном итоге пересекали друг друга. Если в начале 2000-х астрономы беспокоились о том, что спутников будет слишком мало, то к 2018 году их станет слишком много. Проблема пропавших спутников была вывернута наизнанку.
И все же теперь некоторые астрономы видят потенциальное решение. Как это ни парадоксально, решение проблемы избытка спутников может означать постулирование того, что спутников может быть даже больше, чем считалось ранее — при условии, что они чрезвычайно малы.
Новый вид галактики
Астрономы сделали первый шаг к решению проблемы пропавших спутников в 2004 году. Именно тогда Бет Уиллман , во время постдока в Нью-Йоркском университете, уставилась на темное изображение на экране компьютера коллеги, усыпанное красным, оранжевым и синим цветами. звезды переднего плана от Млечного Пути и слабое пятно в центре. По крайней мере, она думала, что в центре было пятно. Она волновалась, что это был просто артефакт, созданный ее воображением.
Если бы это пятно оказалось реальным физическим объектом, это могла бы быть ультра слабая галактика-карлик — что-то всего на 1 процент ярче, чем самые маленькие галактики, известные в то время.
Но это казалось невозможным. Всего два года назад астрономы начали приводить аргументы в пользу того, почему больше карликовых галактик не ждут, чтобы их обнаружили. Кроме того, казалось надуманным думать, что такой слабый объект может удерживать газ, необходимый для образования звезды. «Я очень не решался интерпретировать это», — вспоминает Уиллман. «Я подумал:« Эти объекты не могут существовать на самом деле. Они выглядят такими глупыми.
Но оказалось, что это реально. Willman в открытии первого ultrafaint карликовой галактики ясно , что внешние полосы Млечного Пути прятались больше секретов.
Со временем Sky Survey Sloan Digital и обследование Dark Energy позволили увеличить количество известных спутниковых галактик более 50. Многие из них были похожи на объект был обнаружен Willman — ultrafaint карликовых галактик , которые могут быть настолько малы , что они могли бы провести только тысячу звезды.
Но даже эти съемки не охватывали всего неба. Они также не могли точно определить каждую галактическую галактику в окрестностях Млечного Пути. Некоторые просто настолько слабы, что их уже не видно на определенном расстоянии.
В 2008 годе строка из статей были опубликовано , что приняло во внимание этих ограничения Обнаруживаемости в попытке сделать более точные прогнозы относительно числа карликовых галактик скученности Млечного Пути. Эта статистика вызывала тревогу. Эрик Толлеруд , астроном из Научного института космического телескопа, и его коллеги подсчитали, что может быть целых тысяча невидимых карликовых галактик — число намного больше, чем дюжина карликов, известных, когда возникла проблема пропавших спутников.
«Сейчас существует такое ощущение, что там скрывается целая популяция очень маленьких галактик, но мы их не видим», — сказал Джеймс Баллок , астроном из Калифорнийского университета в Ирвайне. «Это маленькие призрачные галактики».
Тем временем исследователи, включая Буллока, запустили новые компьютерные симуляции образования галактик. Они обнаружили, что большая галактика, такая как Млечный Путь, должна есть этих призраков в течение космического времени. Как говорит астроном из Университета штата Огайо Анника Питер : «Млечный Путь во многом похож на Монстра Печенья».
Лучшие космические модели
Ранние компьютерные симуляции истории Вселенной — те, которые предсказывали, что должно быть много тысяч галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути — имели главное ограничение: они включали только темную материю.
Моделирование было темным по двум причинам. Первое состоит в том, что моделирование 14-миллиардной истории вселенной во всей ее сложности совершенно невозможно. И все же, если вы моделируете только темную материю, это становится возможным. Это потому, что темная материя относительно проста и взаимодействует только (насколько нам известно) посредством гравитации. Обычное вещество, напротив, взаимодействует по-разному. Например, звезды могут катастрофически взорваться. Эти взрывы высвобождают энергию в космос, которая нагревает окружающий газ. Они также сеют вселенную с более тяжелыми элементами, которые питают звезды следующего поколения.
Исследователи полагали, что эти детали можно упустить из виду. И действительно, симуляции только темной материи сделали замечательную работу по воссозданию крупномасштабной космической структуры вселенной. Что приводит нас ко второй причине: темная материя ответственна за расположение космоса.
Темная материя обеспечивает леса, которые поддерживают галактики, разбросанные по всей нашей вселенной. Возьмите Млечный Путь в качестве примера. Наша галактика находится внутри огромного облака темной материи, или гало, которое простирается далеко за пределы культового спирального диска. Космологи считают, что ореол образовался первым. Со временем гравитационное притяжение от этого темного гало привлекло все обычное вещество, которое образует закрученный диск из пыли и звезд, о котором мы думаем, когда думаем «Млечный путь».
Кроме того, этот гало содержит несколько мини-гало, которые сами образовали космические леса для спутниковых галактик, таких как Большие и Малые Магеллановы облака. Из-за этого темное моделирование на самом деле является довольно хорошим приближением для видимой материи во вселенной.
Хорошо, но не идеально. Поскольку астрономы получили лучший доступ к вычислительным средствам, инженеры создали более быстрые процессоры и ученые начали лучше понимать физические процессы, окружающие нормальную материю (например, беспощадные эффекты звездных взрывов), они начали приобретать инструменты, необходимые для сложных симуляций, которые включали нормальное иметь значение.
В 2016 году Эндрю Ветцель из Калифорнийского университета в Дэвисе и его коллеги создали одну из первых реалистичных симуляций центральной массивной галактики и ее легиона гномов. Это не было похоже на предыдущие темные модели. В модели Ветцеля центральная галактика уничтожила так много гномов, что после пробега в 14 миллиардов лет осталось только 13. Если раньше карликовые галактики существовали в изобилии, то теперь их там почти не было.
Астрономы решили понять, почему. Во второй статье, опубликованной Ветцелем вместе с Ши Ша Гаррисон-Киммел , астрономом Калифорнийского технологического института, и его коллегами в середине 2017 года, сравнивались симуляции, которые имели нормальное значение, с теми, которые этого не делали. Они обнаружили, что при моделировании с нормальной материей дополнительный объем в галактическом диске дает центральной галактике гораздо более сильное гравитационное поле. И в этом вся разница. Без этого гномы врываются в Млечный Путь и убегают без единой царапины. Но с нормальной материей диск разрывает их в клочья.
Работа дополнительно сократила количество карликов, предсказанных моделями. Парадоксальным образом это также привело к увеличению числа карликов, которые, как думают астрономы, скрываются на окраинах Млечного Пути.
Имитация Млечного Пути
Гарнизон-Киммел и его коллеги утверждали, что диск Млечного Пути хищный, питаясь гномами, но что он жует только на галактиках, которые находятся близко к диску. «Он съест все печенье в доме, но, вероятно, не пойдет в пекарню, чтобы съесть их там», — сказал Питер.
Из-за этого мы должны ожидать, что найдется относительно немного карликовых галактик рядом с диском Млечного Пути, с гораздо большим количеством галактик, задерживающихся к внешним краям гало Млечного Пути — намного выше того, что мы можем видеть. Когда Питер и ее коллеги приняли это во внимание, они подсчитали, что, вероятно, где-то между 800 и 1700 спутниками чуть больше того предела, который могут обнаружить наши лучшие обсерватории. Но когда команда смоделировала, сколько спутников должно было сформироваться в ранней вселенной, они обнаружили, что эти цифры были намного ниже, от 100 до 300.
А ноябрьское исследование Буллока и его коллег предполагает, что проблема может быть еще более острой. В отличие от предыдущих симуляций, которые просто фокусировались на невзрачных галактиках, которые были приблизительного размера Млечного Пути, эта новая симуляция пытается моделировать сам Млечный Путь. Команда Баллока создала ряд симуляций (все названы в честь разных песен Элвиса Пресли), которые использовали гамму для своих лучших оценок массы, структуры и эволюции Млечного Пути.
Эти симуляции заключили, что наш Млечный Путь — настоящий Монстр Печенья. Только 30 спутниковых галактик должны были дожить до наших дней. Это меньше, чем числа, которые астрономы уже нашли.
Оба исследования показывают, что исследователи сталкиваются с противоположной проблемой, чем 20 лет назад: тысячи галактик, кажется, кишат вокруг Млечного Пути, но моделирование предсказывает только десятки. «Это создает это интересное напряжение — оно перевернуло модель с ног на голову», — сказал Баллок.
Достаточно маленький, чтобы сформировать галактику
Но Баллок и его коллеги не просто описали проблему, но и предложили решение. Моделирование уже давно предполагает, что вокруг Млечного Пути образовалось множество минигало из темной материи. Но астрономы утверждали, что эти гало не образуют галактик. Аргумент показал, что существует порог, ниже которого эти гало просто не обладают достаточной силой тяжести, чтобы удерживать газ, необходимый для образования звезд. Таким образом, они были без звезд и невидимы.
В течение почти 20 лет астрономы считали, что порог для массы гало темной материи, которая может образовать галактику, составлял примерно 500 миллионов масс Солнца. Но команда Буллока подозревает, что она намного ниже, примерно в 30 миллионов раз больше массы Солнца.
Если такие маленькие шарики темной материи могут хвататься за достаточно обычную материю для создания звезд (и, следовательно, галактик), тогда симуляции начинают совпадать с наблюдениями. Действительно, команда Буллока смогла смоделировать галактики, которые до жути реальны. Мало того, что количество смоделированных мини-гало совпадает с числами, которые предсказаны наблюдениями, но формы орбит галактик даже похожи на те, которые мы уже обнаружили. «Мне показалось, что я испортил этот сюжет, и они так близко совпали», — сказал Тайлер Келли , аспирант из Ирвина, который руководил исследованием.
Хотя это загадка относительно того, как эти мини-гало образуют карликовые галактики, которые намного меньше, чем считалось ранее, они, вероятно, помогут астрономам понять природу темной материи.
Большинство космологов считают, что частицы темной материи «холодны», что означает, что они движутся медленно. Из-за этого они могут объединяться в многочисленные крошечные ореолы, создавая множество мест, где могут образовываться карликовые галактики. Но «теплая» или «горячая» темная материя, которая по определению движется быстрее, не может слиться так легко. На самом деле, горячие частицы вообще не смогут образовывать мини-гало. Таким образом, само существование этих маленьких галактик является признаком того, что теплая темная материя, вероятно, не в игре. «Это очень плохие новости для альтернативных сценариев темной материи», сказал Баллок. «Они просто мертвы по прибытии».
И важность этого нельзя недооценивать. «Это большой Святой Грааль — попытаться выяснить, каковы свойства частиц темной материи, чтобы мы могли понять этот недостающий компонент вселенной», — сказал Алекс Дрлика-Вагнер , астроном из Национальной ускорительной лаборатории Ферми.
И это происходит в решающий момент. Уиллман признает, что она начала задаваться вопросом, смогут ли ученые когда-нибудь по-настоящему использовать эти крошечные галактики, чтобы узнать что-то фундаментальное о темной материи. «Но с такими исследованиями, как [Келли], я действительно начинаю приходить и думать, что мы на правильном пути», — сказал Уиллман, который сейчас является астрономом в Университете Аризоны и заместителем директора Национального центра. для оптико-инфракрасной астрономии. «Я чувствую, что мы действительно находимся на пороге возможности расширить то, что мы узнаем от этих ультрамалых гномов, до изучения чего-то о темной материи».
Тем не менее, Ветцель задается вопросом, может ли Млечный путь быть просто выбросом. В связи с этим он беспокоится о будущих исследованиях, таких как Большой телескоп для синоптической съемки, который будет продвигать наблюдения за Млечный путь, помогая астрономам лучше справляться с отсутствующими галактиками в нашем районе — включая те, которые вращаются вокруг Андромеды.
И если будущие исследования подтвердят, что эти крошечные галактики существуют в изобилии вокруг Млечного Пути, Андромеды и других галактик, то это не только повлияет на наше понимание темной материи. Это также увеличит количество галактик по всему космосу. Сегодня большинство астрономов утверждают, что в наблюдаемой Вселенной, вероятно, есть 100 миллиардов галактик. Но это галактики размером с Млечный путь. Если вы расширите счет до этих мини-галактик, тогда их может быть более 10 миллионов миллиардов.
Представьте себе это классическое изображение сверхглубокого поля Хаббла — незабываемой экспозиции в миллион секунд, которая открыла 10 000 галактик в небольшом клочке темного неба. На этом изображении может быть еще 100 000 маленьких галактик, которые скрыты от глаз. Конечно, они могут не выглядеть как знаковые галактики, которые мы видели в архивах Хаббла, вместо этого они напоминают слабое пятно, которое Уиллман обнаружил в 2004 году. Но открытия последних нескольких лет позволяют предположить, что галактик гораздо больше, чем кажется Хабблу.
