Если сравнение со скоплением Пули корректно, то получается, что при почти лобовом столкновении двух гипотетических прагалактик их гало темной материи легко прошли друг сквозь друга насквозь, уже сформированные звезды тоже пролетели без особых пертурбаций, а вот у газовых гало (а газа в молодых галактиках очень много!) такой фокус пройти не мог. Столкнувшиеся облака газа теряют скорость, уплотняются, по ним начинают гулять ударные волны, которые приводят к фрагментированию и появлению областей газа с еще более высокой плотностью и как следствие — вспышке в них звездообразования. Новые звезды разогревают окружающее пространство, часто вспыхивают сверхновые (которых и должно быть в избытке в молодых галактиках) — все это выметает газ с окраин, еще больше обосабливая газовые облака. Такие газовые «ошметки» с зарождающимися молодыми звездами и могли стать впоследствии галактиками DF2 и DF4. Вот такой сценарий предлагает группа ван Доккума.

Мы сейчас хорошо понимаем как зарождаются классические молодые галактики (см. Что мы узнали об эволюции галактик за последние 20 лет, «Элементы», 17.08.2018). Численное моделирование предсказывает, что при том количестве газа (которое и определяет конечную массу галактик), которое изначально имелось у DF2 и DF4, они должны были быть намного меньших размеров, то есть быть не сверхрассеянными, а обыкновенными компактными или даже карликовыми галактиками.

Подрывает ли это гипотезу ван Доккума? Нет, потому что в «обыкновенной» галактике 80% массы приходится на темную материю, которая не позволяет звездам слишком разлететься. Если ее нет, то галактика «распухает» — при том же количестве звезд она оказывается объемнее и попадает в класс сверхрассеянных. Именно это, как предполагают авторы, и произошло в случае DF2 и DF4 (рис. 2). Напомню, что сверхрассеянными называются галактики размером примерно с Млечный Путь, но в которых примерно в сто раз меньше звезд и эти звезды старые — по разным причинам в таких галактиках нет запасов газа, чтобы формировать молодые звезды. Первые сверхрассеянные галактики обнаружили в 1984 году, но особое внимание они привлекли в последние 5 лет, когда оказалось, что в некоторых из них слишком много темной материи (см. Dragonfly 44), а в других — слишком мало.

Рис. 2. Четыре предлагаемые стадии формирования галактик без темной материи. 1) Две богатые газом галактики сталкиваются на большой скорости. 2) Облака газа при столкновении перемешиваются, уплотняются, в них начинается бурное звездообразование. Газа много, поэтому появляются не только отдельные звезды, но и многочисленные звездные скопления. 3) Два гало темной материи (и старые звезды, изначально бывшие в прагалактиках) пролетают насквозь и уже не влияют на процессы в газовом облаке, оставшемся посередине. Продолжающееся турбулентное движение газа и мощные взрывы многочисленных сверхновых раздирают его на фрагменты. 4) Из-за отсутствия темной материи вновь образовавшиеся структуры после исчерпания запасов газа и прекращения звездообразования раздуваются, становясь сверхрассеянными галактиками, протянувшимися цепочкой между двумя галактиками- прародителями. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Теперь можно поговорить и о реконструкции события, с которого все началось. Скорее всего столкновение двух прагалактик произошло вблизи массивной эллиптической галактики NGC 1052, которая является центром группы галактик и одновременно самой массивной из них. Сильное предположение группы ван Доккума состоит в том, что одна из этих двух прагалактик могла быть спутником NGC 1052, в то время как вторая «просто мимо пролетала». Это выглядит вполне реалистично, если учесть, что вероятность столкновения двух галактик, свободно пролетающих мимо третьей, мала, а при столкновении сразу двух галактик-спутников трудно получить такие высокие скорости, с которыми сейчас летят DF2 и DF4.

Предложенный авторами вариант хорошо объясняет нынешнюю динамику галактик — DF2 улетает прочь, потому что гравитационно сильнее связана с той из прагалактик, которая «просто мимо пролетала», а DF4 сильнее притягивается ко второй прагалактике, являвшейся спутником NGC 1052, и поэтому летит к нам (как мы это видим), продолжая оставаться на орбите NGC 1052 (хотя и намного более вытянутой и удаленной).

Пока все предположения, выдвинутые в статье, выглядят здраво, но достаточно умозрительно. Можно ли их как-то проверить численно? Оказывается, да.

Представьте себе столкновение двух капель воды в замедленной съемке — прагалактики, сталкивающиеся почти лоб в лоб, да к тому же еще и вращающиеся (как и положено нормальным галактикам), оставят после себя не два аккуратных резервуара газа, а, скорее, будут разбрызгивать вокруг и вдоль своих траекторий «брызги» газовых облаков, многие из которых потом смогут сгуститься в галактики наподобие DF2 и DF4. Это значит, что гипотеза группы ван Доккума получит весомое подтверждение, если обнаружится, что между DF2 и DF4 находится еще ряд подобных галактик, появившихся в результате того же столкновения. А если очень повезет, то на продолжениях «отрезка», соединяющего DF2 и DF4, удастся обнаружить и две прагалактики. Причем они будут богаты темной материей и старыми звездами, но без каких-либо запасов газа или следов недавнего звездообразования.

Рис. 3. Геометрия системы галактик DF2 и DF4 — как мы их видим (вверху) и как, предположительно, они появились (внизу). Галактики сейчас летят в разные стороны (DF4 — к нам, DF2 — от нас) и, хотя на небе их разделяет всего 7°, в действительности между ними больше двух мегапарсек и расстояние все увеличивается. Согласно реконструкции, предложенной группой ван Доккума, две прагалактики (Progenitor 1 и Progenitor 2) столкнулись 8 миллиардов лет назад и, разлетаясь, породили несколько облаков газа, из которых родились небольшие галактики без темной материи. Остатки изначальных галактик (Remnant of progenitor 1, 2), в которых почти не осталось газа, а есть только старые звезды и избыток темной материи, должны находиться где-то в окрестностях DF4 и DF2. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Ван Доккум с коллегами использовали результаты прошлогодней статьи, авторы которой внимательно изучили область вокруг галактики NGC 1052 и обнаружили там 42 тусклые сверхрассеянные галактики — либо совсем неизвестные ранее, либо пропущенные астрономами за отсутствием в них каких-либо особенностей (J. Roman et al., 2021. Discovery and analysis of low-surface-brightness galaxies in the environment of NGC 1052). Ван Доккум предположил, что большинство этих галактик, конечно же, никак не связаны ни с DF2, ни c DF4 и просто принадлежат той же группе галактик. Но нельзя исключать, что несколько галактик из этих 42 окажутся теми самыми разбрызганными капельками из нашей аналогии. Чтобы обосновать это, надо установить, во-первых, что их положение в пространстве согласуется с гипотезой о столкновении двух прагалактик 8 миллиардов лет назад, а во-вторых, что эти галактики физически похожи друг на друга: схожие кривые вращения, отсутствие активного звездообразования, однородное звездное население — все это будет работать в пользу их родства.

Начнем со взаимного расположения. Человеческий глаз устроен так, что часто видит упорядоченные структуры там, где их нет. Рассыпьте на столе 42 скрепки и присмотритесь. Наверняка вы сможете заметить, что часть скрепок лежит линией или полукругом, а часть, скажем, образует подозрительно равносторонний треугольник. Но при этом можно быть уверенным, что скрепки лежат абсолютно хаотично и никакой структуры в их расположении нет. А если кто-то заранее рассыпал скрепки, а вас приглашают к столу, показывают их и спрашивают, есть ли под столом магнит? Вы не знаете, есть ли там магнит или магниты, сколько их и какой они формы. Можно ли только по расположению скрепок ответить на этот вопрос?

Оказывается, есть кое-что, что может помочь в подобной извлечь дополнительную информацию и не отвечать наугад. Это так называемое преобразование Хафа — алгоритм, применяемый при анализе изображений, который позволяет выявить на картинке определенные геометрические объекты (окружности, эллипсы, прямые и т. д.) и оценить вероятность, с которой они там действительно присутствуют. Алгоритм был придуман для анализа изображений, в том числе цифровых, но не имел изначально никакой связи с астрономией. Авторы статьи применили преобразование Хафа ко всей выборке из 42 галактик. Оказалось, что с вероятностью 97% на этом участке неба действительно есть линейная структура, в которую входят 11 галактик (включая DF2 и DF4). Даже без учета физических свойств остальных галактик, лежащих на этой прямой, результат применения преобразования Хафа стал независимым подтверждением изначального предположения ван Доккума о том, что галактики DF2 и DF4 связаны друг с другом.

Скорее всего не все 11 галактик, выбранных алгоритмом Хафа, действительно сформировались в результате единого события, — плотность объектов в центре группы галактик такова, что велика вероятность «наложения». По оценкам авторов 2–4 из этих галактик, хотя и лежат с остальными на одной прямой (если смотреть с Земли), в действительности никак с ними не связаны и находятся либо немного ближе, либо немного дальше. Это типичная ситуация, когда изучаешь трехмерную Вселенную по двухмерным снимкам.

Дальнейшее изучение тех 7–9 галактик, которые лежат на выделенной преобразованием Хафа прямой, «проходящей» через DF2 и DF4, поможет разобраться, какие из них действительно образовались в результате столкновения. Предварительный анализ показал, что их размеры в среднем на 26% больше, чем полагается галактикам схожих масс, — это косвенно свидетельствует о недостатке в них темной материи, которая, как говорилось выше, своей гравитацией не дает молодым звездам разлетаться, и тем самым регулирует объем галактики.

Авторы статьи уделили особое внимание трем галактикам, которые очень важны для подтверждения их гипотезы.

Во-первых, им повезло с галактикой DF5 — она оказалась настолько близка к DF4, что случайно поместилась на тот же снимок, который телескоп Хаббла делал по заказу группы ван Доккума для прошлой статьи. Удивительное везение, если учесть малое поле зрения камеры ACS, которая использовалась для получения изображения, — всего около трехсот угловых секунд по диагонали (то есть «Хабблу» пришлось бы сделать больше 60 снимков, чтобы получить изображение полной Луны). Это позволило установить, что DF5, хотя и несколько тусклее, но в остальном очень похожа по своим свойствам на DF4. Опять мы имеем две (на этот раз — совсем близкие) галактики редкого класса с похожими свойствами. Их происхождение получается удовлетворительно объяснить только их одновременным формированием в результате единого события. То есть DF5, вероятно, появилась из одного из тех облаков газа, которые вылетели из прагалактик, породивших DF2 и DF4 сразу после столкновения.

Во-вторых, были найдены две галактики, располагающиеся на концах отрезка, на который нанизана вся линейная структура, обнаруженная с помощью преобразования Хафа. Эти галактики, обозначенные RCP 32 и DF7, как предполагают ван Доккум с коллегами, и являются теми самыми прагалактиками. RCP 32 — очень тусклая сверхрассеянная галактика правильной формы, в которой, предположительно, есть несколько старых шаровых скоплений. Она предлагается на роль галактики-предка, которая не была изначально связана с NGC 1052 и после столкновения продолжает лететь примерно в изначальном направлении. DF7 принадлежит к тому же классу сверхрассеянных галактик, что и остальные галактики цепи, но она немного вытянута по одной из осей. Это можно трактовать как указание на то, что она является спутником галактики NGC 1052, а ее эллиптичность вызвана приливным взаимодействием.

Пока нет серьезных доказательств того, что в этих двух галактиках есть избыток темной материи (а это было бы подтверждением гипотезы ван Доккума). Но в уже упомянутой статье утверждается, что измеренная звездная масса галактики RCP 32 составляет всего лишь 6 миллионов солнечных, в то время как для образования и, что более важно, устойчивого существования галактика должна быть минимум в сто раз массивнее. Учитывая, что в галактике RCP 32 не удалось обнаружить сколько-нибудь значительных запасов водорода, объяснить существование такой странной галактики может только очень большое относительное содержание в ней темной материи.

Рис. 4. Изображение центральной части группы галактик, окружающих NGC 1052, собранное из множества отдельных снимков 4-метрового телескопа имени Виктора Бланко, расположенного в Чили. Видна вся цепочка из 11 галактик, выделенная при помощи преобразования Хафа, включая возможные остатки прагалактик RCP 32 и DF7. Яркая желтая эллиптическая галактика по центру — NGC 1052. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Любая научная идея должна быть фальсифицируема, — по-хорошему, авторы обязаны предложить эксперимент (пусть даже они пока и не в состоянии его провести), результаты которого либо подтвердят, либо опровергнут их гипотезу. Критическим и независимым тестом в нашем случае будет спектроскопия шаровых скоплений в галактике DF4: если галактики DF2, DF4 и их соседи действительно появились в результате единого события, то по усредненному возрасту и химическому составу скопления в DF4 должны быть идентичны скоплениям в DF2. Хотя шаровые скопления в DF4 уже надежно обнаружены (Z. Shen et al., 2021. A Complex Luminosity Function for the Anomalous Globular Clusters in NGC 1052-DF2 and NGC 1052-DF4), спектральные наблюдения требуют много времени и их еще предстоит провести.

Рис. 5. Сверхрассеянная галактика DF4, сфотографированная телескопом «Хаббл». Числами отмечены обнаруженные в ней шаровые звездные скопления. Изображение из статьи P. van Dokkum et al., 2019. A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group

Дополнительной проверкой станет изучение кинематики остальных галактик, протянувшихся цепочкой между DF2 и DF4. Ожидается, что кривые вращения как минимум семи из них покажут дефицит темной материи, в то время как «краевые» галактики DF7 и RCP 32 должны наоборот продемонстрировать ее избыток. Одновременно интересно будет посчитать радиальные скорости и расстояния до галактик «цепочки» — они должны лежать в пределах между значениями для DF4 (летящей к нам) и для DF2 (удаляющейся от нас).

Такие измерения, помимо прочего, позволят установить непрошеных гостей, затесавшихся в эту выборку из 11 галактик (их, напомню, должно быть не больше четырех). А также, возможно, и найти новые галактики без темной материи, которые не были «одобрены» алгоритмом Хафа. Одним из таких кандидатов является галактика DF1. Эта галактика, хотя и лежит от линии, соединяющей DF2 и DF4, в 11 угловых минутах (то есть достаточно далеко), не только внешне похожа на галактики, принадлежащие «цепи», но и немного вытянута в ее направлении, что может говорить об их гравитационном взаимодействии в процессе эволюции. К сожалению, изучение сверхрассеянных галактик требует очень много времени и больших (или специально сконструированных) телескопов. Даже авторитета ван Доккума не хватает, чтобы получить достаточно времени и изучить каждую галактику группы NGC 1052, например, при помощи «Хаббла».

Изучение уникальных галактик группы NGC 1052 очень важно в глобальном контексте, поскольку оно поможет лучше узнать поведение темной материи. Например, если темная материя действительно состоит из еще неизвестных нам частиц, то эти частицы должны сталкиваться (пусть и редко). В этом случае два пролетающих друг сквозь друга гало темной материи затормозятся чуть-чуть сильнее — ведь к гравитационному взаимодействию добавится и потеря энергии от столкновений. Изучение скопления Пули позволило установить верхний предел на такое взаимодействие, который применим на больших масштабах (S. W. Randall et al., 2008. Constraints on the Self-Interaction Cross-Section of Dark Matter from Numerical Simulations of the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-5). Но так как темная материя играет важную роль и на меньших масштабах (например при рождении маломассивных галактик), то важно попытаться найти нижний предел этого взаимодействия.

Любые количественные оценки требуют, конечно, большей выборки, чем всего лишь одна пара столкнувшихся галактик, поэтому авторы статьи изучили данные большой космологической симуляции IllustrisTNG и получили обнадёживающие результаты: во Вселенной, смоделированной на компьютере, они смогли обнаружить около 250 подобных столкновений в кубе с ребром 100 МПк. 100 МПк — это много, такой объем занимает область пространства с радиусом 200 миллионов световых лет. Тем интереснее будет пытаться найти подобные галактические цепочки-иголки в гигантском стоге космического сена.

Источник: Pieter van Dokkum, Zili Shen, Michael A. Keim, Sebastian Trujillo-Gomez, Shany Danieli, Dhruba Dutta Chowdhury, Roberto Abraham, Charlie Conroy, J. M. Diederik Kruijssen, Daisuke Nagai & Aaron Romanowsky. A trail of dark-matter-free galaxies from a bullet-dwarf collision // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04665-6.

Марат Мусин