Що таке темна галактика: галактики без зір

Більшість галактик видно завдяки світлу: мільярди зір, сяйний газ, спіральні рукави. Темна галактика — протилежність. Це скупчення речовини галактичного масштабу, що містить газ і складається переважно з темної матерії, але утворило мало зір або взагалі жодної. Без зоряного світла її майже неможливо побачити у звичайний телескоп — саме тому астрономи сперечаються про такі об'єкти десятиліттями.

У цьому гіді пояснюємо, що таке темні галактики, чому теорія їх передбачає, як їх шукають і які кандидати нині сприймають найсерйозніше.

Коротке визначення

Уявіть звичайну галактику як нічне місто у вогнях. Під вогнями — значно більший невидимий фундамент: гало темної матерії, що утримує все гравітацією. У галактиці на кшталт Чумацького Шляху темна матерія переважає звичайну приблизно в п'ять разів. (Наш матеріал про темну матерію пояснює, чому вчені впевнені в її існуванні, хоч ніхто не бачив її напряму.)

Темна галактика — це такий фундамент майже з вимкненим світлом. Вона має гало темної матерії й часто хмару нейтрального водню, але газ так і не стиснувся в зорі або їх утворилося зовсім мало. Астрономи використовують кілька термінів, що частково перетинаються:

• Темна галактика — загальна назва беззоряної або майже беззоряної галактики.
• RELHIC — від англ. «reionization-limited H I cloud», воднева хмара, обмежена реіонізацією: невелике гало темної матерії з воднем, надто теплим і розрідженим, щоб народжувати зорі.
• Галактика з домінуванням темної матерії — галактика, що має деякі зорі, але майже вся її маса — темна матерія.

Чому теорія їх передбачає

Стандартна космологічна модель Lambda-CDM передбачає, що у Всесвіті має бути величезна кількість невеликих гало темної матерії — набагато більше, ніж карликових галактик, які ми реально бачимо навколо Чумацького Шляху. Цю розбіжність іноді називають проблемою «зниклих супутників».

Одне з пояснень — багато малих гало просто не змогли утворити зорі. У ранньому Всесвіті перші зорі й галактики залили простір ультрафіолетом; цю епоху називають реіонізацією. Випромінювання нагріло газ. У великих гало гравітації вистачило, щоб стягнути теплий газ, і зорі народилися. У малих — ні: газ лишився пухким і розрідженим, як хмара, з якої ніколи не піде дощ. Саме такі об'єкти астрономи називають RELHIC, і їх пошук — прямий тест того, як поводиться темна матерія на малих масштабах.

Як знайти щось темне?

Якщо темна галактика майже не випромінює зоряного світла, її доводиться ловити інакше. Є три основні методи.

1. Слухати водень

Нейтральний водень випромінює радіохвилі завдовжки 21 сантиметр. Великі радіотелескопи — китайський FAST, американський Green Bank Telescope і Very Large Array — можуть картографувати це випромінювання навіть там, де зір немає зовсім. Хмара водню, що обертається або тримається купи так, ніби поруч велика невидима маса, — серйозний кандидат у темні галактики. Саме так FAST помітив об'єкт, про який ми писали в новині про кандидата в темні галактики.

2. Дуже уважно шукати зорі

Самої хмари водню замало: це може бути газ, витягнутий із сусідньої галактики, або тьмяна карликова галактика, чиї зорі просто важко розгледіти. Тому астрономи наводять на ту саму ділянку найпотужніші оптичні телескопи, як-от Габбл. Якщо навіть Габбл не бачить зір, аргументи значно посилюються.

3. Стежити за гравітацією

Темна матерія викривлює світло й притягує сусідні об'єкти. Системи з великою часткою темної матерії можна виявити за тим, як вони спотворюють світло далеких галактик, — це гравітаційне лінзування (див. нашу новину про гравітаційну дугу з Габбла і Roman), або за щільною групою кульових скупчень — густих куль старих зір, які ніби обертаються навколо порожнечі.

Найкращі кандидати

Cloud-9: перша підтверджена «невдала галактика»

Cloud-9 розташована біля спіральної галактики M94, приблизно за 14 мільйонів світлових років. FAST помітив її як компактну хмару водню близько трьох років тому, а Green Bank Telescope і Very Large Array підтвердили газ. Потім камера ACS телескопа Габбл обшукала ділянку й не знайшла жодних зір: прихована зоряна популяція більша за кілька тисяч Сонць виключена.

Водень у Cloud-9 важить близько мільйона Сонць, а темна матерія, потрібна, щоб утримати його, оцінюється приблизно в п'ять мільярдів сонячних мас. Дослідження в The Astrophysical Journal Letters називає її першим підтвердженим RELHIC — тому вона й на обкладинці цього гіда. Це хрестоматійний випадок: гало темної матерії трохи менше за розмір, потрібний для народження галактики.

CDG-2: майже суцільна темна матерія

CDG-2 у скупченні галактик Персея, приблизно за 300 мільйонів світлових років, — інший тип. Спершу астрономи помітили на знімках Габбла чотири кульові скупчення, зібрані разом, а потім телескопи Euclid (ESA) і японський Subaru підтвердили навколо них дуже слабке сяйво зір. Уся галактика світить, як лише один–шість мільйонів Сонць, і, за оцінками, близько 99% її маси — темна матерія. Газ, імовірно, здуло гаряче середовище скупчення. Строго кажучи, зорі в неї є, тож це радше галактика з домінуванням темної матерії, ніж повністю темна.

Інші кандидати та хибні тривоги

• J1351+0039 — джерело водню, знайдене FAST, свіжий кандидат, якого ще вивчають.
• VIRGOHI21 — воднева хмара в скупченні Діви, яку 2005 року називали першою темною галактикою; згодом багато астрономів дійшли висновку, що це газ, вирваний із сусідньої галактики.
• Dragonfly 44 — «ультрадифузна» галактика в скупченні Волосся Вероніки, яку колись описували як 99,99% темної матерії; пізніші вимірювання дали менш екстремальну картину, і суперечка триває.

Через цю історію астрономи обережні. Заява про темну галактику потребує радіоданих про газ, глибоких оптичних знімків, що виключають зорі, і переконливого доказу, що це не уламки сусіда.

Чому темні галактики важливі

• Вони перевіряють моделі темної матерії. Кількість і розмір беззоряних гало залежать від того, з чого складається темна матерія. «Холодна» темна матерія передбачає багато малих гало, деякі альтернативи — менше.
• Вони показують, де зупиняється утворення галактик. Об'єкти на кшталт Cloud-9 позначають порогову масу, нижче якої гало не здатне народити зорі.
• Вони можуть пояснити «зниклі» галактики. Якщо багато малих гало темні, проблема зниклих супутників стає не такою гострою.

Чи можна побачити її в телескоп?

Ні. За визначенням темна галактика майже не дає видимого світла, а для описаних кандидатів потрібні радіотелескопи або оптика рівня Габбла. Зате можна побачити їхнє «сусідство»: M94 — яскрава ціль у сузір'ї Гончих Псів для невеликого телескопа під темним небом. Наш гід із вибору першого телескопа підкаже, що купити, щоб знаходити такі галактики.