Астрономи оголосили про відкриття об’єкта, якого досі не вдавалося побачити жодному телескопу: хмари темної матерії з газом, що так і не змогла стати галактикою. Її назвали Cloud-9, і саме вона може виявитися відсутньою ланкою між теорією формування галактик і реальними спостереженнями.
Про відкриття повідомляється у статті, опублікованій 10 листопада в журналі The Astrophysical Journal Letters, а також у доповіді на 247-му з’їзді Американського астрономічного товариства, що відбувся у Фініксі, штат Аризона. Виявлену структуру розташовано більш ніж за 14 мільйонів світлових років від Землі, поряд із галактикою Messier 94 (M94) – спіральною системою у сузір’ї Гончих Псів, яку ще наприкінці XVIII століття заніс до свого каталогу французький астроном Шарль Месьє. Сьогодні M94 є однією з найвідоміших найближчих спіральних галактик, на якій відпрацьовують моделі формування зірок і галактичних дисків.
Хмара без зірок, але з темною матерією
Cloud-9 – це об’ємна хмара газу, насичена темною матерією, яка виявилась «занадто легкою», щоб перетворитися на повноцінну галактику. Вона не містить ані зірок, ані видимого зоряного світла, проте зберігає у собі нейтральний водень – основну будівельну речовину для майбутніх зірок і галактик.
Саме це робить її надзвичайно цінним об’єктом: фактично перед нами – космічний «зародок» галактики, який так і не дійшов до стадії народження зірок. Астрономи називають такі структури RELHIC – Reionization-Limited H I Cloud, тобто хмара нейтрального водню, еволюцію якої зупинили процеси космічної реіонізації в ранньому Всесвіті. Теоретики давно припускали їхнє існування, але донині жодну таку хмару не було переконливо ідентифіковано.
Відкриття напряму підтримує провідну модель опису будови Всесвіту – так звану ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter, або «лямбда-холодна темна матерія»). Вона стверджує, що темна матерія збирається у гало – гравітаційні оболонки, у центрі яких може утворитися галактика, якщо маса досягає певного порога. Якщо ж маса замала, гало так і залишається «порожнім» – без зірок, але інколи з газом. Cloud-9 саме і належить до такої граничної категорії, що робить її справжнім випробувальним полігоном для космології.
Як шукали «фантомний» об’єкт
Від гігантського радіотелескопа в Китаї до Hubble
Cloud-9 уперше помітили три роки тому за допомогою китайського радіотелескопа FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope), розташованого в провінції Гуйчжоу. FAST – найбільший у світі одноапертурний радіотелескоп діаметром 500 метрів, вбудований у природну карстову западину серед гір. Цей інструмент став наступником легендарного обсерваторного комплексу Аресібо в Пуерто-Рико й сьогодні використовується для пошуку пульсарів, швидких радіоспалахів, вивчення міжгалактичного газу та структури Чумацького Шляху. Саме його надзвичайна чутливість дала змогу вловити слабкий радіосигнал від водню в Cloud-9.
Після перших спостережень команда звернулася до іншого гіганта – Very Large Array (VLA) у штаті Нью-Мексико, США. VLA – це знаменитий масив із 28 радіотелескопів, розташованих на пустельному плато. Антени VLA можна розсувати та збирати, формуючи «віртуальний телескоп» діаметром до 36 кілометрів, що дозволяє розглядати радіоджерела з високою роздільною здатністю. На VLA астрономи сфокусувалися на ядрі Cloud-9 діаметром близько 5 тисяч світлових років, де потужність радіовипромінювання була найбільшою.
Однак наземних спостережень виявилося замало, щоб зрозуміти природу цього тьмяного об’єкта. Одна з можливих інтерпретацій полягала в тому, що Cloud-9 є просто дуже слабкою карликовою галактикою, чия зоряна складова ледь проглядається через обмеження чутливості телескопів на Землі. Щоб розв’язати цю загадку, потрібен був інший тип інструментів – орбітальна обсерваторія, здатна працювати поза впливом земної атмосфери.
Вирішальну роль зіграв космічний телескоп Hubble, керований NASA та ESA. Цей телескоп, що працює з 1990 року на навколоземній орбіті, десятиліттями забезпечує астрономів зображеннями далеких галактик, туманностей та зоряних скупчень із небаченою до його запуску деталізацією. Для дослідження Cloud-9 команда використала Advanced Camera for Surveys – одну з головних камер Hubble, створену спеціально для глибоких оглядів Всесвіту.
RELHIC – те, що було лише на папері
Нові спостереження з Hubble показали: у Cloud-9 немає жодної виявленої зірки. Зате радіоспостереження підтверджували наявність значних обсягів нейтрального водню. Поєднання цих результатів означало, що перед науковцями – об’єкт зовсім іншої природи, ніж млява карликова галактика.
Астрономи зрозуміли, що вперше спостерігають саме той тип структури, який досі існував лише в чисельних моделях: Reionization-Limited H I Cloud. Такі хмари вважаються «залишками» раннього Всесвіту, коли перші покоління зірок і галактик випромінювали потужне ультрафіолетове випромінювання, що іонізувало навколишній водень. Частина невеликих темних гало не встигли швидко стиснути газ у зорі – космічне ультрафіолетове тло нагріло газ і зупинило процес колапсу. Потенційні галактики «застигли», не встигнувши народитися.
Саме таким «замороженим» зачатком і виявилась Cloud-9, що, за словами одного з дослідників, дає унікальне «вікно в темний Всесвіт». Адже більшість структур, пов’язаних із темною матерією, взагалі невидимі, тому що не містять газу, який випромінює чи поглинає світло. Cloud-9 – рідкісний виняток, бо її темне гало зуміло зберегти водень і зробити об’єкт помітним у радіодіапазоні.
На межі між хмарою та галактикою
Маса, яка «ледь не вистачила»
Щоб визначити масу Cloud-9, дослідники скористалися радіоспостереженнями, які дають змогу оцінити кількість нейтрального водню в об’єкті. З’ясувалося, що газовий компонент хмари еквівалентний приблизно мільйону мас Сонця. Для об’єкта розміром у тисячі світлових років цього замало, аби газова хмара втримала себе власною гравітацією: без додаткової маси вона мала б розсіятися в міжгалактичному просторі.
Тож астрономи врахували фізичний баланс сил – гравітації, тиску газу і його нагріву. За таких умов стало зрозуміло, що більша частина маси Cloud-9 має бути прихованою – тобто утвореною темною матерією. Розрахунки дали орієнтовну оцінку: близько 5 мільярдів сонячних мас у темній матерії. Це на кілька порядків більше, ніж маса самого газу.
Саме тут виявилась одна з найцікавіших деталей. Отримане значення дуже близьке до теоретичного порога маси, при якому гало темної матерії здатне утримувати газ, але ще не забезпечує настільки сильного гравітаційного стиснення, щоб газ охолов, зібрався в щільні згустки та запалив зорі. Cloud-9 ніби застрягла в проміжному стані: її вистачає на те, щоб бути стабільною структурою, але недостатньо, щоб перетворитися на галактику.
Космічне ультрафіолетове тло як «обігрівач» газу
Ще одна обставина, яка стримує Cloud-9 від утворення зірок, – взаємодія з космічним ультрафіолетовим тлом. Під цією назвою астрофізики мають на увазі фонове УФ-випромінювання, яке утворюють усі зорі, активні чорні діри та гарячий газ по всьому Всесвіту. Воно пронизує міжгалактичний простір і підтримує частину газу в іонізованому, тобто електрично зарядженому та доволі гарячому стані.
Для таких об’єктів, як Cloud-9, це означає постійний нагрів, що перешкоджає охолодженню газу до температур, за яких могли б утворитися щільні холодні хмари – передумова для народження нових зірок. Аналіз показує, що ця хмара перебуває в тепловій рівновазі з УФ-тлом, тобто нагрів і охолодження газу балансують одне одного. У таких умовах Cloud-9 може існувати дуже довго без жодної зорі всередині.
При цьому астрономи не відкидають можливості, що її доля ще може змінитися. Наприклад, хмара здатна наростити масу – через повільне приєднання міжгалактичного газу або зіткнення з іншими газовими структурами. У певний момент цього може виявитися досить, щоб гравітація подолала нагрів УФ-тла, і тоді Cloud-9 все ж еволюціонує в карликову галактику. Але поки що це лише гіпотези.
Реліквія з глибокої давнини
Чому такі об’єкти майже неможливо знайти
Cloud-9 вважають надзвичайно рідкісним утворенням. Виявити подібні хмари дуже складно з кількох причин. Передусім вони надзвичайно тьмяні. У світлі вони взагалі не сяють, а в радіодіапазоні їх легко «перебивають» яскравіші джерела – від активних галактичних ядер до звичайних спіральних галактик, розкиданих небом. Потрібні не лише гігантські телескопи на кшталт FAST і VLA, а й ретельно підібрані стратегії пошуку, щоб відфільтрувати слабкі сигнали від подібних хмар.
Крім того, такі структури крихкі з астрофізичного погляду. Рухаючись між галактиками, вони зазнають дії так званого тиску тиснення (ram pressure stripping) – коли газ хмари буквально «здувається» потоком розрідженого, але гарячого середовища, через яке вона рухається. Це схоже на те, як вітер зриває листя з дерева: достатньо швидкого відносного руху, і хмара втрачає газ, а отже стає остаточно невидимою.
У випадку Cloud-9 поруч розташована спіральна галактика M94, оточена гарячим розрідженим газом – так званим галактичним корональним середовищем. Аналіз показує, що Cloud-9 уже зазнає його впливу: зовнішні шари хмари, ймовірно, порушені й частково втрачаються. Якщо цей процес триватиме, об’єкт може поступово позбутися газу, залишивши по собі лише «голе» темне гало, яке взагалі неможливо виявити спостереженнями.
Дві рідкісні умови для виживання
Комп’ютерні моделі, на які посилаються автори дослідження, показують: для того, щоб хмара на кшталт Cloud-9 дожила до нашої епохи, вона має виконати дві дуже жорсткі умови. По-перше, її гало темної матерії повинно зростати повільніше, ніж у більшості подібних структур. Якби на ранніх етапах історії Всесвіту маса зростала занадто швидко, газ устиг би «запізно» потрапити під дію ультрафіолетового тла – і в ньому народилися б перші зорі. У такому разі об’єкт давно перетворився б на галактику, а не залишився «беззоряною» хмарою.
По-друге, система має залишатися достатньо ізольованою від великих галактик та скупчень. Будь-яка близька взаємодія – гравітаційне зближення або проходження крізь густіші ділянки міжгалактичного газу – може або запустити формування зірок, або, навпаки, вирвати газ із хмари. За оцінками дослідників, менше ніж десята частина подібних гало темної матерії могла пройти крізь усі ці «ігольні вушка» та залишитись настільки ж «чистими» й беззоряними, як Cloud-9.
Що це говорить про темну матерію та галактики
Хоча Cloud-9 – лише одна структура серед безлічі об’єктів на околицях M94, її існування має серйозні наслідки для космології. ΛCDM давно передбачає, що навколо великих галактик повинні бути цілі «зграї» малих гало темної матерії. Більшість із них або швидко сформували зорі й перетворилися на карликові галактики, або взагалі ніколи не мали достатньо газу, щоб бути помітними. Наявність Cloud-9 показує, що принаймні частина таких гало могла зберегти газ, але зупинитися якраз на межі, не давши життя зоряній системі.
Це, у свою чергу, допомагає пояснити розбіжність між теоретичною кількістю малих гало темної матерії та реально спостережуваними карликовими галактиками довкола Чумацького Шляху й інших великих систем. Частину «відсутніх» структур, ймовірно, потрібно шукати саме серед об’єктів на кшталт Cloud-9 – беззоряних, але газонаповнених хмар, помітних лише у радіодіапазоні.
Такі відкриття нагадують, що вражаючі панорами зоряних скупчень і галактичних рукавів, які ми бачимо на зображеннях з Hubble чи інших обсерваторій, відображають лише невелику частину того, з чого справді складається Всесвіт. Зорі та світні галактики – це яскраві «острівці» у значно більному океані темної матерії та розрідженого газу. Cloud-9 стала рідкісним маяком у цьому прихованому світі, вказуючи, як може виглядати Всесвіт там, де зорі так і не спалахнули.
