Самый тусклый спутник Млечного Пути «плавает» в массивном облаке темной материи

Наша галактика Млечный Путь окружена множеством небольших скоплений звезд. Шаровые скопления — обычно яркие и компактные системы звезд. Карликовые галактики — на порядок более разреженные скопления с гораздо большим диапазоном возможных характеристик. Чтобы различать их, астрономы обращаются к физике.

Динамику шаровых скоплений можно объяснить законами Ньютона и процессами, вовлекающими только обычную материю. Звезды там удерживаются рядом друг с другом силами собственного притяжения. Карликовым галактикам для существования в рамках стандартной космологической модели нужно нечто большее — темная материя.

Если вычислять массу тусклой карликовой галактики по движению ее объектов, у вас получится значение, в разы больше, чем при расчетах по светимости, то есть через сложение масс ее звезд. Недостающая масса — вероятно, темная материя. Поэтому ученые очень заинтересованы в исследовании таких спутников Млечного Пути. По сути, это маленькие «лаборатории» для изучения свойств темной материи. И вот в 2023 году астрономы открыли самый тусклый спутник Галактики.

Система звезд Ursa Major III/UNIONS 1 (UMa3/U1) состоит примерно из 60 звезд суммарной массой от 11 до 22 солнечных масс. Все они старые, старше 11 миллиардов лет, и бедные металлами. Диаметр всего скопления — около 10 световых лет (3 ± 1 парсек).

При таких характеристиках UMa3/U1 сопоставима по размеру с шаровыми скоплениями, но в 10 раз тусклее самого тусклого из них. Более того, она в 10 раз тусклее и в пять раз меньше Драко II, самой тусклой подтвержденной карликовой галактики — спутника Млечного Пути.

Чтобы подтвердить, что UMa3/U1 — действительно карликовая галактика, авторы нового исследования прибегли к компьютерному моделированию. Предположив, что это шаровое скопление, удерживающееся собственной гравитацией, они «запустили» его вокруг Млечного Пути. Оказалось, настолько разреженное скопление выдержало бы максимум один полный оборот. Слишком уж близко к Галактике летает UMa3/U1.

Авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, рассчитали, что для удержания формы UMa3/U1 требуется гало из очень плотной темной материи массой порядка миллиарда солнечных масс, если следовать модели холодной темной материи ΛCDM. Но нужно учитывать, что это сопоставление результатов модели и реальных параметров UMa3/U1 опирается на недостаточно точные данные наблюдений (дисперсию скоростей звезд).

Ученые рассмотрели и альтернативные модели. Исходя из условий UMa3/U1, масса ультралегких частиц нечеткой темной материи (FDM) должна быть на порядок больше теоретических расчетов. Так что, если подтвердятся наблюдения за UMa3/U1, модель FDM придется пересматривать.

Плотность темной материи в центре UMa3/U1 плохо согласуется и с моделью самодействующей темной материи (SIDM). В этой гипотезе частицы темной материи должны взаимодействовать друг с другом, и теоретически, из-за столкновений, они не могут давать настолько высокую плотность, как в центре UMa3/U1.

Хотя авторы работы не рассмотрели этот вариант, отметим, что теория Николая Горькавого достаточно легко сочетается с наблюдениями в гало крупных галактик объектов с очень большой долей темной материи. Согласно ей темная материя состоит из реликтовых (доставшихся из прошлого цикла развития Вселенной) черных дыр массой в несколько солнечных. Такие объекты сосредоточены только в гало галактик, причем не равномерно, как темная материя в остальных моделях, а в формате компактных шаровых скоплений, аналогичных звездным шаровым скоплениям, но, в отличие от них, почти лишенных обычной материи. За счет этого увидеть такие скопления микролинзированием крайне сложно, но при этом они имеют достаточную массу, чтобы обеспечивать гравитационную стабильность объектов типа UMa3/U1 на протяжении значительного времени.

«Независимо от того, подтвердят или опровергнут будущие наблюдения [нашу гипотезу] о большом количестве материи в этой системе, мы очень рады предположению, что этот объект — лишь верхушка айсберга и только первый образец нового класса чрезвычайно тусклых систем звезд, которые раньше ускользали от нашего внимания», — объяснил Уилл Церны (Will Cerny), один из авторов первой работы, описывающей UMa3/U1.

Кстати, объекты вроде UMa3/U1 интересны не только с точки зрения изучения темной материи. Они настолько тусклые и бедные металлами, что в таких «химически чистых» условиях, анализируя состав ее звезд, можно очень точно измерить «урожайность» химических элементов от сверхновой первого поколения звезд после Большого взрыва.