Спіральна галактика здається природно «народженою» для обертання, але звідки взявся її кутовий момент — одне з фундаментальних питань космології. Стандартне пояснення говорить, що ще до формування повноцінної галактики нерівномірний розподіл речовини та гравітаційні сили сусідніх структур створюють крутний момент. Темна матерія збирається в гало, газ падає всередину, а початковий слабкий «закрут» з часом стає частиною структури галактики.
Проблема в тому, що за мільярди років початковий сигнал легко стерти. Галактики зливаються, поглинають газ, викидають речовину через активність зір і чорних дір. Усі ці процеси можуть змінювати напрямок і швидкість обертання. Тому астрономи давно шукали об’єкти, в яких можна було б побачити слід первісного кутового моменту, а не лише результат пізнішої еволюції.
Нова робота, про яку повідомив Science, знайшла особливо переконливий сигнал у великих масивних еліптичних галактиках. У таких системах зоряне обертання може бути складним, але гарячий газ, що заповнює гало, здатен краще зберігати інформацію про рух темної матерії. Дослідники виявили кореляції, які відповідають очікуванню: газ і гало демонструють сліди спільного початкового кутового моменту.
Темна матерія безпосередньо не випромінює світло, тому її рух не можна сфотографувати так само, як зорі чи газ. Її присутність реконструюють через гравітаційний вплив: швидкості обертання, лінзування, рух супутників та моделювання. Тому будь-яка спроба побачити «обертання темної матерії» фактично є статистичним тестом того, чи поводиться видима речовина так, як повинна поводитися в певній моделі гало.
Теорія tidal torque — припливного крутного моменту — існує десятиліттями. В ранньому Всесвіті майбутнє гало не було ідеально симетричним, і гравітація навколишніх структур діяла на нього нерівномірно. Невелика початкова асиметрія створювала кутовий момент ще до колапсу речовини в галактику. Комп’ютерні симуляції давно показують цей ефект.
Якщо первісний сигнал справді зберігається до сучасної епохи, це відкриває новий спосіб перевіряти початкові умови космології. Обертання може доповнити традиційні спостереження розподілу галактик, їхніх швидкостей і гравітаційного лінзування. Ідея особливо цікава тому, що кутовий момент містить інформацію не лише про кількість речовини, а й про геометрію початкового гравітаційного поля.
Втім, слово «доказ» тут слід розуміти обережно. Астрофізичні системи складні, а кореляцію можуть частково створювати пізніші процеси. Потрібно перевірити результат на інших вибірках, масах галактик і в різних космологічних симуляціях. Також важливо зрозуміти, наскільки газ справді є надійним «архівом» початкового руху після мільярдів років взаємодій.
Практичне значення
Дослідження не пояснює природу самої темної матерії — чи це нова елементарна частинка, аксіон, інший тип поля або щось зовсім невідоме. Воно працює на іншому рівні: перевіряє, як невидима маса формує структуру й передає кутовий момент звичайній речовині.
Важливий і масштаб. Галактичне гало простягається далеко за межі яскравої зоряної частини, тому рух газу на великих радіусах може містити інформацію, яку вже втратили центральні зорі. Саме спостереження гарячого розрідженого газу стає одним зі способів «прочитати» динамічну історію гало.
Що перевірятимуть далі
Майбутні рентгенівські обсерваторії та великі спектроскопічні огляди можуть значно збільшити вибірку систем, де такий тест можливий. Якщо одна й та сама залежність проявиться у різних середовищах, аргумент на користь первісного походження частини галактичного обертання стане сильнішим.
Пошук первісного обертання важливий ще й для перевірки великомасштабної структури Всесвіту. Початкові неоднорідності густини після ранніх космологічних епох стали насінням майбутніх гало. Якщо кутові моменти сучасних систем статистично пам’ятають геометрію цих неоднорідностей, астрономи отримують додатковий канал інформації про початкове поле матерії.
Такі вимірювання можуть бути особливо корисними в комбінації з іншими методами. Розподіл галактик показує, де концентрується речовина, слабке гравітаційне лінзування вимірює масу, а обертання додає інформацію про напрямок і динаміку. Разом ці спостереження здатні точніше перевіряти моделі формування структури, ніж будь-який один тип даних окремо.
Навіть якщо первісний сигнал слабкий, його статистичне виявлення в багатьох галактиках може стати цінним космологічним інструментом.
Це особливо цікаво для майбутніх великих оглядів неба.
Якщо результати підтвердяться, образ народження галактики стане трохи чіткішим. Галактика не обов’язково спочатку формується, а вже потім «розкручується». Частина її майбутнього обертання може бути закодована ще в протогалактичній хмарі та гало темної матерії, коли Всесвіт лише створював великомасштабну павутину.
