Космічний телескоп "Гайя" виявив, що наша Галактика, Чумацький шлях, зовсім не така, як науковці вважали раніше

Космічний телескоп «Гайя» дозволив оцінити швидкість руху рекордної кількості зірок у Чумацькому Шляху, і нові дані виявилися вкрай несподіваними. Справа не тільки в тому, що його маса впала в багато разів: зрозуміли, що сама структура Галактики не така, як думали раніше.

Приблизно півстоліття тому астрономи виявили, що зовнішні частини галактичних дисків поза Чумацьким Шляхом обертаються значно швидше, ніж мали б. Скажімо, у Сонячній системі планети, близькі до Сонця, обертаються швидко, а більш далекі — повільно, і це здається логічним наслідком послаблення тяжіння світила, що діє на них. А ось в інших галактиках зовнішні області обертаються без зменшення швидкості обертання — начебто їх розкручує якась величезна, але невидима маса (темна матерія).

Це спостереження здійснило революцію у космології й у фізиці. Але оцінити, як справи зі швидкостями обертання в інших галактиках, виявилося набагато простіше, ніж зробити це «у себе вдома».

Спостерігати за великим об’єктом, перебуваючи всередині нього, складно: наприклад, з нашого місця в Галактиці бачити інші її частини заважають не тільки пил і газ, а й центральна її частина (що знаходиться за нею — прямими спостереженнями перевірити дуже складно). Революцію в питанні зробив лише космічний телескоп «Гайя», запущений 10 років тому і працюючий у точці Лагранжа, за півтора мільйона кілометрів від Землі. Він може спостерігати понад мільярд зірок – рекордний показник в історії астрономії. Однак обробка такого обсягу даних займає багато часу і дуже складна.

Тому тільки зараз у журналі Astronomy and Astrophysics вийшла стаття, яка підсумовує дані «Гайї» про швидкості обертання зірок у диску Чумацького Шляху. Вона багато в чому спирається на результати спостережень та роботи, що вийшли на цю тему раніше. Автори нової статті склали криві, що показують швидкість обертання зірок у різних частинах нашої галактики. Оскільки ці швидкості визначаються гравітацією, що діє на ці зірки, саме по них можна дізнатися реальну масу Чумацького Шляху, яка до цього залишалася об’єктом запеклих дискусій.

Робота принесла два великі сюрпризи. По-перше, виявилося, що Чумацький Шлях не показує прискореного обертання країв галактичного диска, як майже всі добре вивчені спіральні галактики, крім нашої. На відстані від 63 до 86 тисяч світлових років від центру Чумацького Шляху швидкість обертання його зірок навколо галактичного центру знижується в середньому на 30 кілометрів на секунду. Це не так мало: наприклад, Сонце обертається довкола ядра Галактики зі швидкістю 230 кілометрів на секунду. Фактично зменшення швидкості обертання зірок в нашій Галактиці виглядає як «кеплерівське уповільнення», подібне до того, що видно для зовнішніх планет Сонячної системи. І не спостерігається поки що в інших галактиках Всесвіту, схожих на нашу.

Це не означає, що темної матерії ми не маємо: за розрахунками авторів нової роботи, її тут утричі більше, ніж звичайної. Проблема в тому, що для інших спіральних галактик це співвідношення шість до одного, тобто вдвічі більше.

Другий великий сюрприз: маса Чумацького Шляху дорівнювала приблизно 200 мільярдам мас Сонця. Це приблизно в п’ять разів менше за минулі загальноприйняті оцінки (трильйон сонячних мас) і помітно менше, ніж у інших спіральних галактик тих же розмірів, що наша, що спостерігаються астрономами. З цього випливає, що оцінки мас галактик – супутників Чумацького Шляху (наприклад, Великої Магелланової хмари) потрібно переглядати «вниз», причому досить сильно.

Автори дослідження зазначили, що, згідно з їхніми результатами, Чумацький Шлях виявляється екстраординарно рідкісною та екстраординарною бідною матерією Галактикою. Причини цього поки що не зрозумілі.

Серед можливих пояснень вчені наводять те, що після 8-10 мільярдів років тому наша Галактика практично не мала великих злиттів і поглинань (тобто не приєднувала до себе інших галактик). Водночас більшість інших спостережуваних спіральних галактик зазнавали великих злиттів не пізніше шести мільярдів років тому. Можливо, що й невелика кількість пізніх злиттів і мала кількість темної матерії у нас якось пов’язана з тим, що будова рукавів у нашій галактиці дещо відрізняється від більшості спіральних галактик, що спостерігаються.

Інше пояснення: «Гайя» використовує інші методи обліку швидкостей руху галактик. Якщо з нею щось не так, то нові результати за масою та швидкостями в Чумацькому Шляху теж некоректні. В якомусь сенсі такий варіант не менш приголомшливий, ніж перший, оскільки на точності цифр «Гайя» ґрунтується чимало висновків астрономів за останні роки.

Окремо зазначимо, що якщо цифри «Гайя» все ж таки коректні, то гіпотеза модифікованої ньютонівської динаміки (МОНД) неправильна. Модифікована ньютонівська динаміка – це теорія, яка передбачає, що гравітація має різну силу для різних відстаней. Тобто це пояснення, цілком альтернативне сучасній фізичній картині світу, що ґрунтується на теорії відносності, несумісної з таким підходом.

МОНД довгі роки користувалася певною популярністю, оскільки дозволяє пояснити занадто швидке обертання дисків інших галактик, і шукати темну матерію, яка б пояснювала таке обертання. Але, якщо в нашій Галактиці ніякого швидкого обертання периферичних частин галактичного диска немає, а є кеплерівське уповільнення його зірок, то МОНД, очевидно, неправильна: гравітація не може слабшати з відстанню скрізь, крім Чумацького Шляху.

Натомість інші підходи — конкретніші, темніші матерії — з новою роботою отримали серйозне підтвердження. Кількість темної матерії в різних галактиках може різнитися в рамках різних гіпотез про її природу. Тепер залишилося лише з’ясувати, яка саме з них є вірною: та, що спирається на дані гравітаційного телескопа LIGO, або якісь інші.