Около 4 миллиардов лет назад в космосе произошло грандиозное событие: два скопления галактик столкнулись на скорости более 2,5 тысячи километров в секунду. Так родился Пулевой кластер — объект, который долгие годы считался главным доказательством существования таинственной тёмной материи. Но недавние наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба заставили учёных пересмотреть эту точку зрения. Международная группа исследователей показала, что данные с телескопа прекрасно согласуются с альтернативной теорией, которая вообще не требует тёмной материи. А если она и существует, то её должно быть гораздо меньше, чем считалось раньше.
Столкновение, подарившее загадку
Пулевой кластер выглядит необычно. Когда два облака межзвёздного газа столкнулись, трение заставило их замедлиться и сильно нагреться. С помощью рентгеновских телескопов эти горячие облака видны как два размытых пятна, расположенных близко друг к другу. А вот галактики, из которых состоят скопления, проскочили сквозь друг друга без помех — расстояния между отдельными звёздами настолько велики, что они просто пролетели мимо. В результате оба скопления оказались отделены от своего газа: одно — слева от левого облака, другое — справа от правого. Именно такая четвёрка структур и образует Пулевой кластер.
Здесь начинается самое интересное. Если присмотреться к изображениям, можно заметить, что галактики, расположенные позади кластера, искажены и вытянуты в форме полумесяцев. Это гравитационное линзирование — явление, предсказанное Эйнштейном: большие массы искривляют проходящий мимо них свет. Удивительно, но в области горячих газовых облаков, где должна быть сосредоточена основная видимая масса, это искривление оказалось не слишком сильным. Зато галактики справа и слева, хотя их масса невелика, создают гораздо более заметный эффект. Создаётся впечатление, что там скрыта дополнительная масса, которую мы не видим.
Главный аргумент сторонников тёмной материи
Именно это несоответствие долгое время считали прямым доказательством существования тёмной материи. Согласно стандартной теории, тёмная материя взаимодействует с обычной только через гравитацию и не тормозится трением. Значит, при столкновении скоплений она не отделяется от галактик, а остаётся вместе с ними, создавая дополнительную гравитацию и усиливая линзирование. Получалось, что видимая масса газа и звёзд не может объяснить наблюдаемое искривление света, а тёмная материя — может.
Такой вывод казался настолько убедительным, что Пулевой кластер вошёл в учебники как неопровержимое свидетельство в пользу тёмной материи. Однако, несмотря на десятилетия поисков, учёным так и не удалось зарегистрировать частицы тёмной материи напрямую. И это заставляло некоторых физиков искать альтернативные объяснения.
«Мы показали, что Пулевой кластер, наоборот, особенно хорошо согласуется со сценарием MOND», — объясняет профессор Павел Крупа из Боннского университета.
Что предлагает теория MOND
Ещё 40 лет назад израильский физик Мордехай Милгром предложил модифицированную ньютоновскую динамику, или сокращённо MOND. Суть идеи в том, что при очень слабых гравитационных полях законы Ньютона работают иначе — чуть-чуть, но этого «чуть-чуть» хватает, чтобы объяснить движение звёзд на окраинах галактик без привлечения тёмной материи. Долгое время MOND считали маргинальной гипотезой: считалось, что она не может объяснить эффекты в Пулевом кластере. Но новое исследование переворачивает это представление.
Авторы работы — учёные из Германии, Великобритании и других стран — провели расчёты на основе свежих данных телескопа Джеймса Уэбба. Этот телескоп позволил гораздо точнее подсчитать количество звёзд в обоих скоплениях. Кроме того, выяснилось, что в Пулевом кластере много тяжёлых элементов вроде железа и кислорода. Они образуются в недрах массивных звёзд, а когда такие звёзды заканчивают свой век, они превращаются в нейтронные звёзды или чёрные дыры.
Нейтронные звёзды и чёрные дыры вместо тёмной материи
Вот ключевой момент: нейтронные звёзды и чёрные дыры, как и тёмная материя, невидимы — их можно обнаружить только по мощному гравитационному притяжению. Один из авторов исследования, доктор Индранил Баник из Портсмутского университета, показал: если учесть все невидимые остатки массивных звёзд, то наблюдаемое гравитационное линзирование в Пулевом кластере можно объяснить и без тёмной материи — в рамках теории MOND.
При этом в «классической» модели с тёмной материей её количество тоже пришлось бы уменьшить, и весьма существенно.
- По данным JWST, число видимых звёзд в скоплениях выше, чем считалось раньше;
- Тяжёлые элементы свидетельствуют о большом количестве массивных звёзд, которые уже взорвались;
- Нейтронные звёзды и чёрные дыры дают дополнительную невидимую массу;
- В сценарии MOND эти невидимые объекты «заменяют» значительную часть гипотетической тёмной материи.
Сколько же тёмной материи остаётся
Результаты расчётов показывают: даже если придерживаться стандартной модели и допускать существование тёмной материи, её количество в Пулевом кластере нужно сократить примерно вдвое по сравнению с прежними оценками. А в рамках теории MOND она может вообще не понадобиться.
Физик Павел Крупа настроен оптимистично: «Остатки массивных звёзд в определённой степени берут на себя роль тёмной материи в сценарии MOND. Наше исследование делает эту альтернативу гораздо более правдоподобной».
Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале Physical Review D.
Пулевой кластер перестаёт быть однозначным доказательством тёмной материи. Новые данные не отвергают её существование, но показывают, что наука пока не сделала окончательный выбор. Возможно, в ближайшие годы дальнейшие наблюдения и более точные расчёты помогут понять, что на самом деле скрывается за гравитационными аномалиями в далёком космосе. А пока спор между сторонниками тёмной материи и её противниками вспыхнул с новой силой — и это хорошо. Именно такие дискуссии и двигают науку вперёд.
