Изгиб гитары жёлтой: деформация диска Галактики позволяет уточнить распределение её тёмной материи
Астрономы использовали данные по нескольким тысячам переменных звёзд класса цефеид, чтобы определить параметры изгиба диска нашей Галактики за счёт действия несимметричного гало тёмной материи. Таким образом удалось в первом приближении составить карту распределения тёмной материи Млечного Пути.
В ближайших галактических окрестностях обнаруживается, что в почти трети галактик спирального типа их плоскость диска несколько изогнута. Таким свойством обладает и наша Галактика. Известно, что вещество в галактиках вращается вокруг их центра под действием гравитации. Но при этом деформация диска может смещаться, и такое перемещение не обязательно связано с движением вещества — изгиб испытывает прецессию. Это явление можно представить как свободное вращение в невесомости диска из какого-нибудь мягкого материала (например, гибкой грампластинки), который подтолкнули со стороны — его плоскость будет совершать ещё и плавные колебания вверх-вниз. Галактический диск, как предполагается, испытывает прецессию за счёт действия окружающего гало тёмной материи: тёмная материя галактики не распределена сферически симметрично, поэтому на звёздный галактический диск действует изгибающий момент — притяжение со стороны, где её больше. В свою очередь образоваться такой изгиб может при столкновении с другой галактикой. Измерение «изогнутости» галактики — задача, которую астрономы пытаются решать давно. Такие сведения позволят уточнить распределение тёмной материи, а следовательно, и этапы эволюции Млечного Пути.
Тёмная материя — странный и невидимый тип материи, который составляет около 27% массы-энергии во Вселенной. В отличие от видимого вещества, тёмная материя не поглощает, не отражает и не испускает свет, поэтому обнаружить её можно только по действию гравитации. Присутствие тёмной материи определяют по скорости вращения вещества в галактиках, из эффектов гравитационной линзы, а также по космическому микроволновому фоновому излучению. Её природа пока неизвестна, и это — одна из современных нерешённых задач физики и космологии. Предполагается, что гало тёмной материи окружает большинство галактик.
Астрономы из нескольких университетов Китая сделали очередную попытку уточнить параметры нашего галактического диска, сосредоточившись на его изгибе и прецессии линии изгиба со временем. Для этого они исследовали форму Млечного Пути, используя класс звёзд в Галактике, для которых можно с хорошей точностью определить возраст и расстояние до них.
Основная идея работы — изучение особого типа переменных звёзд — цефеид. Это пульсирующие звёзды, яркость которых изменяется с регулярной периодичностью от нескольких часов до нескольких суток. Изменение яркости происходит из-за периодического расширения и сжатия их внешних оболочек. Период пульсаций однозначно связан с их абсолютной яркостью, поэтому цефеиды можно использовать для определения космических расстояний. Зная абсолютную яркость и наблюдая с Земли их видимую звёздную величину, можно определить расстояние до звезды. Подробнее см. в большой статье о составлении карты Млечного Пути с использованием этих переменных звёзд. Идея картирования нашей и соседних галактик по цефеидам не новая, и этим занимаются много исследовательских групп; в последние годы они с переменным успехом пытаются определить по цефеидам и отклонение галактики от модели плоского блина.
Астрономы проанализировали 2600 переменных звёзд класса цефеид разного возраста и по этой выборке смогли определить направление и скорость прецессии диска галактики. Такую выборку можно взять из доступных данных космического телескопа Gaia, который занимается определением скоростей, положения и состава миллиардов звёзд Галактики. Подробности этого метода можно узнать из статьи, которая в июле 2024 года вышла в Nature Astronomy (также её препринт есть на arXiv.org). Отметим, что почти сразу методика расчётов и выводы подверглись критике других специалистов.
Можно предположить, что места рождения цефеид распределены равномерно по диску галактики. Поскольку расстояния до цефеид определяются точно, можно составить трёхмерную «карту» Галактики, на которой будут изображены только эти звёзды. Несколько тысяч звёзд такой «усечённой» галактики вполне хватает, чтобы передать очертания и деформацию настоящего галактического диска. Так, на трёхмерной диаграмме отчётливо видно, что точки — места расположения скопления цефеид не лежат в одной плоскости: слева и справа от линии, соединяющей положение Солнца (красная звёздочка) и центра Галактики они предпочтительно сосредоточены соответственно выше и ниже галактической плоскости, то есть координаты Z=0 на трёхмерном графике. Очевидно, такие «рукава» отображают изогнутость в пространстве плоскости Млечного Пути. Заметим, что большинство точек-цефеид на этой и подобных диаграммах лежит на «нашей» стороне Галактики, что неудивительно — с другой стороны Галактики их почти невозможно обнаружить за плотным скоплением звёзд галактического центра.
Далее — необходимо определить, как такое «коробление» распространяется со временем. Для этого можно воспользоваться тем, что возраст звёзд-цефеид примерно известен: разные поколения звёзд различаются химическим составом, в частности, таким свойством, как металличность — соотношением тяжёлых и лёгких элементов. Такие сведения для значительной части цефеид из выборки можно получить из данных космического телескопа Gaia. Для простоты выделяем «старое» и «молодое» поколения цефеид с возрастами 120 — 220 и 20 — 120 миллионов лет соответственно. Дальше решение очевидно: сравнивая разные поколения цефеид, можно заметить, что трёхмерная картина изогнутого галактического диска для них разная. Некая средняя «линия изгиба» диска, которая занимала определённое положение в пространстве, когда образовывались старые цефеиды, за время, разделяющее два их поколения, сместилась против часовой стрелки примерно на семь градусов: молодые цефеиды формировались уже при новом положении галактического изгиба. Вычисления можно провести и более тщательно, разбивая цефеиды не на два «поколения», а, например, с дискретностью десять миллионов лет, но принцип остаётся тот же. В итоге астрономы получили скорость прецессии диска и соответственно гало тёмной материи Млечного Пути — за миллион лет изгиб галактического диска распространяется в среднем на 0,12 градуса в ретроградном (по отношению к движению звёзд вокруг центра) направлении. Поскольку цефеиды находятся на разных расстояниях от центра, можно набрать достаточную выборку, чтобы изучить дифференцированное движение разных слоёв диска: чем дальше от центра Галактики, тем скорость прецессии меньше.
Остаётся сделать выводы о форме «тёмного» гало Млечного Пути, в идеале — предъявить читателям его трёхмерную карту. И с этим пока сложно. Тёмную материю мы можем только прощупывать, как содержимое чёрного ящика, по её проявлению в гравитационном взаимодействии с видимым веществом. Обычно используют модельные профили распределения гало вокруг Галактики: скорее всего, максимальная её плотность будет ближе к центру; вероятно, «сфера» вокруг Галактики будет не совсем правильной формы и так далее. По изгибу и прецессии галактического диска на основе карты распределения цефеид авторы смогли оценить момент изгиба, действующий на диск. Момент изгиба создаёт как гало тёмной материи, так и «видимый» материал Галактики (компоненты галактического диска и центральный балдж). Дифференцированная скорость прецессии разных участков позволяет отделить вклад этих составляющих и сделать вывод: сферическое гало вокруг Галактики скорее сплющено, чем вытянуто с коэффициентом деформирования (отношение малой и большой осей эллипсоида) около 0.9. Другие подобные исследования пытаются определить наклон этого сплющенного эллипсоида, уширение, трёхосность и другие параметры отклонения от идеальной сферы. По таким данным можно уточнить эволюцию нашей и других галактик, в частности, историю их столкновений с другими галактиками миллиарды лет назад, хотя до подробной карты тёмной материи ещё далеко.