Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Часть 11-17
Темная материя и черные дыры

Содержание

(том – часть – глава)

11-17-1. Темная материя в галактиках управляет ростом черных дыр

11-17-2. В ранних галактиках обнаружили нехватку темной материи

11-17-3. Темную материю предложили искать в форме «гравитационных молекул» в составе двойных черных дыр

11-17-4. Найдены новые доказательства существования темной материи вокруг черных дыр

Глава 11-17-1
Темная материя в галактиках управляет ростом черных дыр

Февраль 2015

У каждой массивной галактики в центре имеется черная дыра (ЧД), и чем тяжелее галактика, тем больше её ЧД. Но почему возникает связь между двумя этими массами? В конце концов, ЧД в миллионы раз меньше, чем её родительская галактика, как по размерам, так и по массе. Статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal.

В новом исследовании астрономы изучили большое число эллиптических галактик и показали, что невидимая темная материя некоторым образом влияет на рост центральной ЧД галактики.

«Похоже, что между количеством темной материи, содержащейся в галактике, и размером её центральной ЧД имеется какая-то таинственная связь, несмотря на то, что эти величины описывают материю на совершенно разных космических масштабах», — говорит главный автор нового исследования Акос Богдан из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США.

Это новое исследование ставит целью разрешить неоднозначность, существующую в этой научной области. В результате предыдущих наблюдений учеными было установлено соотношение между массой центральной ЧД и суммарной массой всех звезд в эллиптических галактиках. Однако более недавние исследования указывают на строгую корреляцию между массами центральных ЧД и состоящих из темной материи гало эллиптических галактик. До сих пор ученым не было ясно, какое из этих двух соотношений имеет решающее значение.

Изучив свыше 3000 эллиптических галактик, Богдан и его коллега Анди Гудлинг из Принстонского университета пришли к выводу, что в таких галактиках зависимость между массой гало, состоящего из темной материи, и массой центральной ЧД выражена более явно, чем зависимость между суммарной массой всех звезд галактики и массой центральной ЧД.

Эта зависимость может быть связана с особенностями формирования эллиптических галактик, говорят ученые. Эллиптическая галактика формируется в результате слияния меньших по размерам галактик, при этом звезды и темная материя исходных галактик перемешиваются между собой. Так как масса темной материи в галактиках существенно превосходит массу нормальной материи, то темная материя «сжимает» вновь образовавшуюся галактику, управляя ростом её центральной ЧД.

_{Astronews, 19 февраля 2015}

_{http://astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=6953}

_{Журнал The Astrophysical Journal. 2015}

_{Акос Богдан Гарвард-Смитсоновский астрофизический центр, США.}

Глава 11-17-2
В ранних галактиках обнаружили нехватку темной материи

Март 2017

Международная группа астрономов обнаружила шесть древних галактик с чрезвычайно малой долей темной материи в них. На необычное свойство указала скорость вращения звезд в них. Это означает, что в ранней Вселенной барионная материя конденсировалась в центрах гало темной материи эффективнее, чем сейчас. Ученые отмечают, что подобные наблюдения помогут уточнить модель возникновения галактик, подобных Млечному Пути, — по своим параметрам обнаруженные объекты напоминают нашу Галактику такой, какой она была десять миллиардов лет назад. Исследование опубликовано в Nature.

Модель возникновения галактик описана сейчас лишь в общих чертах. Согласно одной из общепризнанных теорий галактики возникают из слияния нескольких звездных скоплений. Концентрирование обычной (барионной) материи ассоциировано с образованием гало темной материи вокруг галактики. На существование этого гало у галактик-ровесниц Млечного Пути указывает необычное распределение скоростей вращения звезд. Если бы гало отсутствовало, то удаление от центра галактики приводило бы к постепенному снижению скорости материи диска. Однако, согласно наблюдениям, эта скорость растет с удалением от центра, выходя на плато. Объяснить это удается лишь с помощью введения темной материи, плотность которой растет вблизи границ галактики.

Авторы новой работы обнаружили шесть крупных галактик, в которых скорость барионной материи падает с удалением от центра. Находка была сделана в рамках обзора сотни удаленных галактик с помощью 8,2-метрового Очень большого телескопа (VLT) Южной европейской обсерватории. Все они относятся к пиковому периоду формирования звезд — примерно 10 миллиардам лет назад. Ученые оценивали скорость вращения разных участков галактик по доплеровскому сдвигу излучения атомарного водорода в их составе. Огромное разрешение VLT позволило определить сдвиг для отдельных частей галактических дисков.

Эти галактики можно назвать идеальными объектами исследования по двум причинам. Во-первых, они обладают среднестатистическими темпами звездообразования для своей эпохи — 50-200 масс Солнца в год. Во-вторых, их масса примерно соответствует массе Млечного Пути или слегка ее превышает. Таким образом, вероятно, это не экзотические объекты, поведение которых может быть связано с неизвестными факторами, а вполне стандартные галактики своей эпохи. Это помогут подтвердить наблюдения и статистический анализ.

Ученые объясняют нестандартное поведение материи в галактике чрезвычайно большим потоком газа, стягивающимся из межгалактического пространства. Это, вместе с многочисленными вспышками сверхновых, замедляло вращение внешней части диска галактики. Одновременно с этим происходило пространственное разделение газа и темной материи. Из-за того, что последняя слабо взаимодействует с обычным веществом, газ гораздо быстрее терял энергию и концентрировался в центральных областях галактик. Это приводило к тому, что в центре галактики доминировала обычная барионная материя. Доля темной материи в исследованных галактиках на расстоянии половины радиуса от центра в ряде случаев не превышала семи-восьми процентов. Для сравнения, по современным данным Вселенная состоит примерно на пять процентов из барионов и на 27 процентов из темной материи.

Интересно, что темная материя в момент, наблюдаемый учеными, еще не находится в равновесии. Ее гало в галактиках непрерывно растет и из его динамики можно попытаться получить новые ограничения на свойства этой неизученной формы материи. Более сложная задача, стоящая перед исследователями — описать переход между древним состоянием, в котором в галактике доминирует барионная материя к современному, в котором доминирует темная материя.

_{nplus1.ru, 17 марта 2017, Владимир Королёв}

_{https://nplus1.ru/news/2017/03/17/dark-matter-ancient-galaxy}

_{Журнал Nature, 2017}

_{http://www.nature.com/nature/journal/v543/n7645/full/nature21685.html}