Почему галактики принимают заранее определенные формы?

Наша Вселенная полна загадок, но немногие из них так же загадочны, как темные, крошечные галактики, которые вращаются вокруг более крупных, таких как Млечный Путь.

Небольшие, тусклые и почти невидимые карликовые сфероидальные галактики до отказа заполнены тем, чего мы не можем увидеть: темной материей. Они подобны космическим айсбергам, большая часть массы которых скрыта от глаз, что делает их одними из самых экзотических объектов во Вселенной.

Но эти обманчиво простые структуры скрывают глубокую тайну. Годами астрономы ломали голову над сложной проблемой, часто называемой «проблемой каспового ядра». Наши лучшие теории темной материи, основанные на модели холодной темной материи, предсказывают, что плотность этого невидимого вещества должна резко возрастать, образуя «касп» в самом центре этих галактик. Подобно вершине горы, острой и заостренной, где скапливается темная материя.

Однако, когда мы всматриваемся в реальное движение звёзд внутри многих из этих карликовых галактик , мы часто видим нечто более плоское, больше похожее на пологий холм – «ядро». Это немного похоже на то, как если бы вы обнаружили идеально гладкое, манящее плато там, где ожидали увидеть зазубренную, непроходимую вершину. Это постоянное несоответствие подпитывает серьёзные дебаты, заставляя нас задуматься, не является ли наше понимание тёмной материи или, возможно, самого процесса формирования галактик , принципиально ошибочным.

Эта загадка бросила вызов стандартной картине формирования и эволюции галактик. Но астрономы умны и продолжают свои исследования. Подумайте вот о чём: эти галактики не просто рождаются со своей окончательной формой, а эволюционируют в неё, следуя космическому плану. Эта идея лежит в основе нового исследования команды астрономов из Института астрономии Эдинбургского университета и кафедры астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Они предполагают, что карликовые сфероидальные галактики всегда движутся к определённой, стабильной конфигурации, космическому покою, который они называют «динамическим аттрактором». Это как если бы каждая крошечная галактика имела предопределённую конечную форму, и независимо от исходных условий, ей суждено сформироваться именно по этому плану.

Как галактика находит путь к этому точному плану? Это не плавный дрейф к равновесию. Звезды внутри этих карликовых галактик постоянно подвергаются хаотичным космическим воздействиям. Они не просто плавно вращаются вокруг центра галактики, как планеты вокруг звезды. Вместо этого их постоянно толкают то, что астрономы описывают как «стохастические флуктуации сил». Представьте это как пинбол. Звезды — это шарики, и вместо идеально гладких стенок они постоянно сталкиваются с невидимыми, непредсказуемыми бамперами, всегда получая немного энергии.

Что это за невидимые «бамперы»? Это «тёмные субгало» — скопления тёмной материи, встроенные в более крупное и гладкое гало тёмной материи галактики. Да, даже внутри таинственной тёмной материи есть более мелкие, комковатые частицы. Они создают проблемы. Эти тёмные субгало оказывают непредсказуемое гравитационное воздействие, передавая энергию звёздам и выталкивая их орбиты наружу.

Звёзды получают энергию, их орбиты расширяются, и вся звёздная система начинает раздуваться и расширяться. Этот процесс, в котором звёздные орбиты расширяются и получают энергию, является своего рода внутренним «нагревом» галактики, движимый её эволюцией. Этот внутренний нагрев — мощная сила, но это не единственный фактор.

Вселенная — это оживлённое, часто бурное место, и карликовые сфероидальные галактики часто оказываются втянутыми в гравитационное притяжение гораздо более крупных галактик, таких как наша собственная галактика Млечный Путь . Когда большая галактика притягивает меньшую, она может оторвать свои внешние слои — процесс, называемый приливным отрывом. Этот внешний отрыв ускоряет нагрев и расширение карликовой галактики, ещё быстрее подталкивая её к этому динамическому аттрактору.

Но даже карликовые галактики, плавающие в одиночестве в космической пустоте, изолированные от гравитационного воздействия своих более крупных соседей, всё же эволюционируют к этому аттрактору за счёт собственного внутреннего нагрева. Просто им требуется немного больше времени. Например, карликовой галактике в изоляции может потребоваться до 14 миллиардов лет — по сути, возраст Вселенной — чтобы полностью достичь своей стабильной формы.

Итак, откуда исследователи знают, что это не просто хитроумная математическая гипотеза? Они не просто выдумали теорию на пустом месте. Эти исследователи создали целые крошечные вселенные, проведя сложные «N-частичные эксперименты» — сложные компьютерные симуляции, отслеживающие движение миллиардов звездных частиц и темных субгало на протяжении миллиардов лет.

Всё это означает, что невероятное разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня в карликовых сфероидальных галактиках — их различные размеры и внутренние движения — не обязательно является моментальным снимком их зарождения, подобно отдельным видам. Вместо этого, это динамичная история эволюции, путешествие, движимое как внутренним гравитационным воздействием тёмных субгало, так и внешними приливными силами от более крупных соседей.

Все они движутся к общему, стабильному состоянию, своего рода космической судьбе. Наблюдаемое нами структурное разнообразие в значительной степени является результатом эволюции, а не просто случайным распределением начальных условий. Это меняет наше понимание их структуры и устойчивости.

Конечно, наука никогда не бывает окончательно решена. Нам еще предстоит разгадать множество загадок. Попытки определить точное распределение темной материи внутри этих галактик крайне сложны, отчасти из-за так называемого «вырождения анизотропии массы». Трудно сказать, движутся ли звезды в совершенно случайных направлениях или существует предпочтительное направление, что делает расчет гравитационного притяжения темной материи настоящей головной болью.

Тем не менее, эта работа дает нам мощный новый взгляд на эти крошечные миры, в которых преобладает темная материя. Она подчеркивает, как тонкие, непрерывные взаимодействия внутри и вокруг галактики могут полностью изменить ее судьбу. Вселенная, кажется, имеет свойство направлять даже своих самых маленьких обитателей к предсказуемым, стабильным формам, предлагая захватывающий взгляд на грандиозную, разворачивающуюся историю космической эволюции.

_______________________________

Автор: Пол Саттер – космолог JHU/NASA

Фото 1: Изображение компактной карликовой галактики Маркарян 178, полученное с помощью космического телескопа Хаббл. Маркарян 178, значительно меньшая по размерам, чем наша родная галактика Млечный Путь, находится на расстоянии 13 миллионов световых лет от нас, в созвездии Большой Медведицы. Источник фото: NASA/ESA/Hubble.

Фото 2: Иллюстрация, изображающая гало из темной материи вокруг спиральной галактики. Изображение создано с помощью Canva