Что такое тёмная галактика: галактики без звёзд

Большинство галактик видно благодаря свету: миллиарды звёзд, светящийся газ, спиральные рукава. Тёмная галактика — противоположность. Это скопление вещества галактического масштаба, которое содержит газ и состоит в основном из тёмной материи, но образовало мало звёзд или вовсе ни одной. Без звёздного света её почти невозможно увидеть в обычный телескоп — именно поэтому астрономы спорят о таких объектах десятилетиями.

В этом гиде объясняем, что такое тёмные галактики, почему теория их предсказывает, как их ищут и какие кандидаты сейчас воспринимают всерьёз.

Короткое определение

Представьте обычную галактику как ночной город в огнях. Под огнями — гораздо больший невидимый фундамент: гало тёмной материи, которое удерживает всё гравитацией. В галактике вроде Млечного Пути тёмная материя превосходит обычную примерно в пять раз. (Наш материал о тёмной материи объясняет, почему учёные уверены в её существовании, хотя никто не видел её напрямую.)

Тёмная галактика — это такой фундамент почти с выключенным светом. У неё есть гало тёмной материи и часто облако нейтрального водорода, но газ так и не сжался в звёзды или их образовалось совсем мало. Астрономы используют несколько частично пересекающихся терминов:

• Тёмная галактика — общее название беззвёздной или почти беззвёздной галактики.
• RELHIC — от англ. «reionization-limited H I cloud», водородное облако, ограниченное реионизацией: небольшое гало тёмной материи с водородом, слишком тёплым и разреженным, чтобы рождать звёзды.
• Галактика с доминированием тёмной материи — галактика, у которой есть звёзды, но почти вся масса приходится на тёмную материю.

Почему теория их предсказывает

Стандартная космологическая модель Lambda-CDM предсказывает, что во Вселенной должно быть огромное количество небольших гало тёмной материи — гораздо больше, чем карликовых галактик, которые мы реально видим вокруг Млечного Пути. Это расхождение иногда называют проблемой «пропавших спутников».

Одно из объяснений — многие малые гало просто не смогли образовать звёзды. В ранней Вселенной первые звёзды и галактики залили пространство ультрафиолетом; эту эпоху называют реионизацией. Излучение нагрело газ. В больших гало гравитации хватило, чтобы стянуть тёплый газ, и звёзды родились. В малых — нет: газ остался рыхлым и разреженным, как облако, из которого никогда не пойдёт дождь. Именно такие объекты астрономы называют RELHIC, и их поиск — прямой тест того, как ведёт себя тёмная материя на малых масштабах.

Как найти что-то тёмное?

Если тёмная галактика почти не излучает звёздного света, её приходится ловить иначе. Есть три основных метода.

1. Слушать водород

Нейтральный водород излучает радиоволны длиной 21 сантиметр. Крупные радиотелескопы — китайский FAST, американский Green Bank Telescope и Very Large Array — могут картировать это излучение даже там, где звёзд нет совсем. Облако водорода, которое вращается или держится вместе так, будто рядом большая невидимая масса, — серьёзный кандидат в тёмные галактики. Именно так FAST заметил объект, о котором мы писали в новости о кандидате в тёмные галактики.

2. Очень внимательно искать звёзды

Одного облака водорода мало: это может быть газ, вытянутый из соседней галактики, или тусклая карликовая галактика, звёзды которой просто трудно разглядеть. Поэтому астрономы наводят на тот же участок мощнейшие оптические телескопы, например Хаббл. Если даже Хаббл не видит звёзд, аргументы заметно усиливаются.

3. Следить за гравитацией

Тёмная материя искривляет свет и притягивает соседние объекты. Системы с большой долей тёмной материи можно обнаружить по тому, как они искажают свет далёких галактик, — это гравитационное линзирование (см. нашу новость о гравитационной дуге с Хаббла и Roman), или по плотной группе шаровых скоплений — густых шаров старых звёзд, которые будто вращаются вокруг пустоты.

Лучшие кандидаты

Cloud-9: первая подтверждённая «неудавшаяся галактика»

Cloud-9 находится возле спиральной галактики M94, примерно в 14 миллионах световых лет. FAST заметил её как компактное облако водорода около трёх лет назад, а Green Bank Telescope и Very Large Array подтвердили газ. Затем камера ACS телескопа Хаббл обыскала участок и не нашла ни одной звезды: скрытое звёздное население больше нескольких тысяч Солнц исключено.

Водород в Cloud-9 весит около миллиона Солнц, а тёмная материя, нужная, чтобы его удержать, оценивается примерно в пять миллиардов солнечных масс. Исследование в The Astrophysical Journal Letters называет её первым подтверждённым RELHIC — поэтому она и на обложке этого гида. Это хрестоматийный случай: гало тёмной материи чуть меньше размера, необходимого для рождения галактики.

CDG-2: почти сплошная тёмная материя

CDG-2 в скоплении галактик Персея, примерно в 300 миллионах световых лет, — другой тип. Сначала астрономы заметили на снимках Хаббла четыре шаровых скопления, собранных вместе, а потом телескопы Euclid (ESA) и японский Subaru подтвердили вокруг них очень слабое свечение звёзд. Вся галактика светит, как всего один–шесть миллионов Солнц, и, по оценкам, около 99% её массы — тёмная материя. Газ, вероятно, сдуло горячей средой скопления. Строго говоря, звёзды у неё есть, так что это скорее галактика с доминированием тёмной материи, чем полностью тёмная.

Другие кандидаты и ложные тревоги

• J1351+0039 — источник водорода, найденный FAST, свежий кандидат, которого ещё изучают.
• VIRGOHI21 — водородное облако в скоплении Девы, которое в 2005 году называли первой тёмной галактикой; позже многие астрономы пришли к выводу, что это газ, вырванный из соседней галактики.
• Dragonfly 44 — «ультрадиффузная» галактика в скоплении Волосы Вероники, которую когда-то описывали как 99,99% тёмной материи; более поздние измерения дали менее экстремальную картину, и спор продолжается.

Из-за этой истории астрономы осторожны. Заявление о тёмной галактике требует радиоданных о газе, глубоких оптических снимков, исключающих звёзды, и убедительного доказательства, что это не обломки соседа.

Почему тёмные галактики важны

• Они проверяют модели тёмной материи. Количество и размер беззвёздных гало зависят от того, из чего состоит тёмная материя. «Холодная» тёмная материя предсказывает много малых гало, некоторые альтернативы — меньше.
• Они показывают, где останавливается образование галактик. Объекты вроде Cloud-9 отмечают пороговую массу, ниже которой гало не способно родить звёзды.
• Они могут объяснить «пропавшие» галактики. Если многие малые гало тёмные, проблема пропавших спутников становится не такой острой.

Можно ли увидеть её в телескоп?

Нет. По определению тёмная галактика почти не даёт видимого света, а для описанных кандидатов нужны радиотелескопы или оптика уровня Хаббла. Зато можно увидеть их «соседство»: M94 — яркая цель в созвездии Гончих Псов для небольшого телескопа под тёмным небом. Наш гид по выбору первого телескопа подскажет, что купить, чтобы находить такие галактики.