Темной материи во вселенной больше, чем обыкновенной: например, в нашей галактике частиц темной материи в пять раз больше, чем тех, из которых сделан привычный нам мир. В некоторых карликовых галактиках ее еще больше.

Темную галактику, которую назвали Стрекоза 44, впервые нашли в 2015 году, используя телефотографический комплекс «Стрекоза» в Нью-Мексико (США).

Стрекоза 44 – одна из 47 ультрарассеянных или «пушистых» галактик, которые Питер ван Доккум из Йельского университета (США) и его коллеги нашли в Скоплении Волос Вероники. Галактика была одной из крупнейших и ярчайших в скоплении. Хотя Стрекоза 44 также велика, как Млечный Путь, она выделяет только 1% от объема света нашей галактики.

Ван Доккум и его команда поняли, что галактика Стрекоза 44 – очень странная. Такая крупная галактика не могла оставаться стабильной, имея так мало звезд. Гравитации было бы недостаточно, и звезды просто бы разлетелись по вселенной. Ученые выяснили, что целостность галактики удерживает темная материя, которой в Стрекозе 44 – 99,99%.

Затем команда отправилась в Обсерваторию «Джемини» на Гавайях, чтобы сделать новые фотографии Стрекозы 44. Они создали цветное изображение галактики – на снимке тусклая сферическая Стрекоза 44 выглядела как грязная клякса.

Новые фотографии также показали гало звездных скоплений, похожее на гало вокруг Млечного Пути. Некоторые исследователи считают, что светлые гало вокруг галактик состоят из темной материи. Если это правда, возможно, что темная материя может быть не идеально темной.

Суммарная масса вещества в галактике Стрекозы 44 (Dragonfly 44) приблизительна равна массе вещества в Млечном Пути, все ее звезды не весят и одного процента массы звезд нашей галактики. Вся остальная масса приходится на темную материю.

Стрекоза 44 находится в 300 миллионах световых лет от Земли. Если бы она находилась ближе, это бы сильно помогло ученым в изучении темной материи; однако из-за удаленности она пока не представляет такого интереса.

Обнаружить ее удалось при помощи телескопа, собранного из деталей фотоаппарата астрофизиками из Йельского университета и университета Торонто. Ученые решили, что объектив, которым снимают пейзажи и репортажи, больше подходит для неярких объектов, которые они собирались искать, чем огромные телескопы. «Мы планировали исследовать края галактик, а в результате обнаружили новый удивительный феномен», рассказывает один из авторов исследования Питер Доккум (Pieter van Dokkum).

До сих пор темная материя остается гипотетической формой вещества. Ученые предполагают, что она не взаимодействует с электромагнитным излучением и не испускает его, поэтому обнаружить ее крайне затруднительно.

Обнаруженная галактика, получившая название Dragonfly 44, находится в 300 миллионах световых годах от нас. Она обладает одинаковой с Млечным путем массой, но при этом имеет в сотню раз меньше звезд. Так как звезд в ней содержится мало, следовательно, и яркость ее настолько мала, что заметить галактику не могли десятилетиями.

Следует отметить, что это не единственная галактика, которая практически полностью состоит из темной материи. Большинство карликовых галактик тоже могут обладать аналогичными характеристиками, но такой объем скопления темной материи в одном месте ученым попадается впервые.

Ученых сразу заинтересовало то, каким образом эта галактика по-прежнему остается единым целым, так как общей массы ее звезд было бы недостаточно для этого. Вариантов было два: либо звезды в ней притягиваются друг к другу темной материей, либо галактика имеет крайне нестабильную структуру. Правильный ответ на этот вопрос ученые нашли совсем недавно.

В опубликованной статье в журнале Astrophysical Journal Letters исследователи поделились деталями о том, как они, благодаря мощностям огромных телескопов, в течение шести дней вели наблюдение за скоростью движения звезд в галактике Dragonfly 44. Скорость здесь играет действительно ключевую роль. Чем быстрее звезды вращаются, тем большей массой должна обладать галактика для того, чтобы удерживать эти звезды вместе.

Согласно ведущему автору исследования Питеру ван Доккуму, высчитанная скорость (около 50 километров в секунду) может говорить о том, что в галактике находится гораздо больше массы, чем все вместе взятые в ней звезды.

«Звезды в галактике Dragonfly 44 двигаются очень быстро. Поэтому перед нами возник некоторый парадокс, решить который помогли телескопы Обсерватории Кека. С помощью них мы смогли высчитать, что общая масса галактики гораздо выше, чем общая масса содержащихся в ней звезд».

Это открытие говорит о том, что все остальное, что содержится в этой галактике, может приходиться на темную материю. Ее доля здесь составляет 99,99 процента, что даже больше, чем у одной из галактик в Скоплении Девы, 99,96 процента массы которой тоже приходится на темную материю.

Галактика Dragonfly 44 в созвездии Волосы Вероники известна как «темный двойник» Млечного Пути, состоящий в основном из темной материи – частиц неизвестной природы, не поглощающих, не испускающих и не отражающих свет, не вступающих с обычным веществом ни в какой вид взаимодействий, кроме гравитации.

Астрономы показали, что при массе, сопоставимой с массой нашей Галактики, Dragonfly 44 включает минимум 47 шаровых скоплений и испускает в сотни раз меньше света. Впрочем, оценки массы «темной галактики» затруднены, и, по некоторым расчетам, она может включать более 90 скоплений и весить еще существеннее.

Новое исследование Dragonfly 44 астрономы провели с помощью мощнейших наземных инструментов – расположенных на Гавайях телескопов обсерваторий W. M. Keck и Gemini.

Первый из них позволил заметить ее необычайно редкие и тусклые звезды и измерить скорости их движения. Второй рассмотрел поведение шаровых скоплений, расположенных вокруг ядра галактики. Эти движения определяются гравитацией, позволяя косвенно определить массу и распределение темной материи, недоступной для прямых наблюдений.

Проведя такую работу, ученые подтвердили, что масса Dragonfly 44 действительно близка к массе Млечного Пути и составляет около 1 трлн масс Солнца. При этом на звезды приходится лишь около 0,01% этой массы, их здесь меньше миллиарда: остальное – невидимая темная материя.

Заметим, что существование галактик из темной материи само по себе не новость: из нее сложены, например, сверхтусклые карликовые галактики. Однако их размеры в десятки тысяч раз меньше, чем у Млечного Пути или Dragonfly 44, галактики не только очень темной, но и довольно крупной.

При сопоставимых массах галактика примерно в сто раз тусклее Млечного Пути. Это означает, что в ее центре может находиться квазар, который направляет газопылевую материю, необходимую для формирования звезд, в сторону от галактики.

Скорость вращения Dragonfly 44 в настоящее время мала, однако, как полагают ученые, ранее она была выше. Такое замедление движения ученые связывают с ее столкновениями с другими галактиками.

Галактика Dragonfly 44 расположена в скоплении Волос Вероники на расстоянии 99 мегапарсек от Солнца. Методом доплеровской спектроскопии астрофизики определили относительную скорость движения звезд в ней, которая составила 47 километров в секунду. Исследованная галактика в триллион раз тяжелее Солнца и содержит 90 шаровых звездных скоплений.

Для обнаружения Dragonfly 44 потребовалось 33,5 часа наблюдений на Обсерватории Кека (Гавайи, США). За галактикой пришлось наблюдать столь продолжительное время в связи с ее низкой яркостью.

И она не одинока. Ван Доккум и его коллеги заметили галактику и её соседей в 2014 с помощью массива телеобъективов.

«Соединив их в этот массив, который похож на глаз насекомого, мы собираем гораздо больше света» – рассказывает ван Доккум. Поэтому его и назвали Стрекоза.

Когда команда нацелила Стрекозу на скопление Кома, огромное скопление галактик в 320 миллионах световых лет от нас, они обнаружили 47 неясных пятнышек: галактик, которые по размеру могли быть не меньше Млечного Пути, 100000 световых лет от края до края, но содержащих так мало звезд, что их свет был не ярче света от карликовых галактик.

У этого может быть два объяснения: галактики могут быть прочно связаны тёмной материей, до сих пор необнаруженной субстанцией, которая предположительно составляет 85% от массы вселенной. Или же эти галактики нестабильны – и жестокое скопление Кома сейчас разрывает их в клочья.

Как там может быть так много тёмной материи? Чтобы понять это, ван Доккум с коллегами наблюдал за Dragonfly 44, одной из самых больших из галактик, с помощью спектрографа на 10-метровом телескопе Keck II на горе Мауна-Кеа, Гавайи. Это позволило команде отследить, как быстро звёзды движутся по галактике и вычислить её массу: чем выше скорость, тем больше масса.

Они обнаружили, что звезды двигались со скоростью 47 км/с, делая Dragonfly 44 примерно в триллион раз массивнее Солнца. С таким малым количеством нормальной материи, она должна на 99.99% состоять из тёмной материи, чтобы уцелеть, что гораздо больше, чем в среднем по вселенной.

Галактика побила рекорд другой похожей тёмной галактики в скопление Девы обнаруженной ранее в этом году, которая состоит из тёмной материи на 99.96%.

Но астрономы не понимают, как образуются эти тёмные галактики. «Сложно спорить с наблюдениями, но выводы из статьи противоречат моему пониманию о том, как формируются галактики» – говорит Марла Геха из Йельского университета. – «Я надеюсь, что такие объекты достаточно редки и/или формируются только в особых условиях, вроде плотного скопления галактик. В ином случая нам может понадобиться переписать теорию формирования галактик».