Темна матерія розганяє наймасивніші спіральні галактики до шалених швидкостей

Нове дослідження виявило, що найбільш масивні спіральні галактики обертаються швидше, ніж очікувалося.

Чумацький Шлях, середня спіральна галактика, обертається зі швидкістю 210 кілометрів на секунду в околицях нашого Сонця, тоді як ці «суперспиралі» - зі швидкістю до 570 км/сек, розповіли в інформаційному центрі космічного телескопу Хаббла.

Суперспіралі є винятковими майже в усіх відношеннях. Крім того, що вони набагато масивніші за Чумацький Шлях, вони також яскравіші та більші за фізичними розмірами. Найбільша охоплює 450 000 світлових років, порівняно з діаметром Чумацького Шляху у 100 000 світлових років. На сьогодні відомо лише близько 100 суперспіралей. Вони були виявлені як важливий новий клас галактик під час вивчення даних Слоанського цифрового оглядача неба (SDSS), а також Екстрагалактичної бази даних NASA/IPAC (NED).

"Суперспіралі є надзвичайними за багатьма параметрами, - каже Патрік Огл з Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі, штат Меріленд. - Вони б'ють рекорди зі швидкості обертання."

Огл є першим автором статті, яка була нещодавно опублікована в «Astrophysical Journal Letters». У статті представлені нові дані щодо швидкості обертання суперспіралей, зібрані за допомогою Південноафриканського великого телескопа (SALT) - найбільшого одиночного оптичного телескопа в південній півкулі. Додаткові дані були отримані за допомогою 5-метрового телескопа Хейла обсерваторії Паломар, керованого Каліфорнійським технологічним інститутом. Дані з місії Ширококутного інфрачервоного обстежувача (WISE) NASA мали вирішальне значення для вимірювання галактичних мас в зірках (тобто, маса галактики вимірюється за допомогою її зірок) та швидкості зореутворення.

Посилаючись на нове дослідження, співавтор Том Джаррет з Університету Кейптауна, Південна Африка, говорить: "Ця робота прекрасно ілюструє потужну синергію між оптичними та інфрачервоними спостереженнями галактик, виявляючи зоряні рухи за допомогою спектроскопії SDSS та SALT, та інші зоряні властивості, зокрема зоряну масу або "кістяк" галактик-господарів – за допомогою середньо-інфрачервоного відображення WISE".

Теорія припускає, що суперспіралі обертаються швидко, оскільки вони розташовані в неймовірно великих хмарах, або ореолах, темної матерії. Темну матерію вже десятиліттями пов'язують з обертанням галактик. Астроном Віра Рубін була піонером в роботі над швидкістю обертання галактик, показавши, що спіральні галактики обертаються швидше, ніж якби їх гравітація була зумовлена виключно зірками і газом. Додаткова невидима речовина, відома як темна матерія, повинна впливати на обертання галактик. Спіральна галактика заданої маси в зірках, як очікується, обертається з певною швидкістю. Команда Огл вважає, що у суперспіралей значно вища очікувана швидкість обертання.

Суперспіралі також перебувають у більших, ніж середні, ореоли темної матерії. Наймасивніший ореол, який вимірював Огл, містить достатньо темної матерії, щоб важити принаймні в 40 трлн разів більше, ніж наше Сонце. Ця кількість темної матерії зазвичай містить групу галактик, а не одну галактику.

"Виявляється, що спін галактики задається масою її ореолу темної матерії ", - пояснює Огл.

Той факт, що суперспіралі порушують звичне співвідношення між масою галактик в зірках та швидкістю обертання, - це новий доказ проти альтернативної теорії гравітації, відомої як Модифікована ньютонівська динаміка, або MOND. MOND пропонує, щоб на найбільших масштабах, таких як галактики та скупчення галактик, гравітація дещо сильніша, ніж передбачалося б Ньютоном чи Ейнштейном. Це призводило б, наприклад, до того, що зовнішні ділянки спіральної галактики оберталися би швидше, ніж очікувалося, виходячи з її маси в зірках. MOND розроблена для відтворення стандартних співвідношень у швидкостях обертання спіралі, тому вона не може пояснити інше, таке як суперспіралі. Суперспіральні спостереження показують, що не-Ньютонівська динаміка не потрібна.

Незважаючи на те, що суперспіралі є наймасивнішими галактиками у Всесвіті, вони насправді мають меншу вагу в зірках порівняно з тим, що можна було б очікувати за кількістю темної матерії, яку вони містять. Це говорить про те, що велика кількість темної матерії гальмує утворення зірок. Можливі дві причини: 1) будь-який додатковий газ, який втягується в галактику, руйнується і нагрівається, не даючи йому охолонути і утворювати зірки, або 2) швидке обертання галактики ускладнює руйнування газових хмар проти відцентрової сили.

«Це перший раз, коли ми знайшли спіральні галактики, які є настільки великими, як взагалі можливо", - говорить Огл.

Незважаючи на цей руйнівний вплив, суперспіралі все ще здатні утворювати зірки. Хоча найбільші еліптичні галактики утворювали всі, або більшість своїх зірок, понад 10 мільярдів років тому, суперспіралі все ще формують свої зірки. Вони перетворюють в зірку приблизно більше 30 мас Сонця щороку, що нормально для галактики такого розміру. Для порівняння, наш Чумацький Шлях утворює зірки на близько 1 сонячну масу на рік.

Огл та його команда запропонували додаткові спостереження, які допоможуть відповісти на ключові питання щодо суперспіралей, включаючи спостереження, призначені для кращого вивчення руху газу та зірок у межах їхніх дисків. Після запуску в 2021 році, космічний телескоп Джеймса Вебба від NASA зможе вивчати суперспіралі на більших відстанях і відповідно молодших віках, щоб дізнатися, як вони розвиваються з часом. І місія НАСА WFIRST може допомогти знайти більше суперспіралей, які надзвичайно рідкісні, завдяки великому куту огляду.

Фото: NASA, ESA, P. Ogle and J. DePasquale (STScI), SDSS.

Читайте ще цікаві новини про космос.