Согласно новому исследованию, в Млечном Пути может быть гораздо больше галактик-спутников, чем предполагалось или наблюдалось учёными ранее. Космологи из Даремского университета использовали новую методику, сочетающую суперкомпьютерное моделирование с высочайшим разрешением и математическое моделирование, чтобы предсказать существование «сиротских» галактик.
Их выводы указывают на то, что вокруг нашей родной галактики должно быть ещё 80 или, возможно, до 100 галактик-спутников.
Если эти галактики будут обнаружены с помощью телескопов, это может стать серьёзным подтверждением теории Lambda Cold Dark Matter (LCDM), которая объясняет крупномасштабную структуру Вселенной и формирование галактик.
Исследование основано на модели LCDM, где обычная материя в форме атомов составляет лишь 5% от общего содержания Вселенной, 25% — холодная тёмная материя (CDM), а оставшиеся 70% — тёмная энергия.
В этой модели галактики формируются в центре гигантских скоплений тёмной материи, называемых гало. Большинство галактик во Вселенной — это карликовые галактики с низкой массой, большинство из которых являются спутниками, вращающимися вокруг более массивной галактики, такой как наш Млечный Путь.
Существование этих загадочных объектов долгое время ставило под сомнение модель LCDM — также известную как стандартная модель космологии. Согласно теории LCDM, должно существовать гораздо больше галактик-компаньонов Млечного Пути, чем это показывают космологические симуляции или астрономы могут наблюдать.
Новое исследование показывает, что недостающие спутники Млечного Пути — это чрезвычайно слабые галактики, почти полностью лишённые родительской тёмной материи из-за гравитации гало Млечного Пути. Эти так называемые «сиротские» галактики теряются в большинстве симуляций, но должны были сохраниться в реальной Вселенной.
Используя свою новую методику, исследователи из Дарема смогли отследить обилие, распределение и свойства этих галактик-сирот Млечного Пути, показав, что должно существовать и быть наблюдаемыми сегодня гораздо больше спутников Млечного Пути.
Ожидается, что новые достижения в области телескопов и инструментов, таких как камера Rubin Observatory LSST (которая недавно увидела свой первый свет), дадут астрономам возможность обнаруживать эти очень слабые объекты, впервые представив их нашему взору.
Ведущий исследователь доктор Изабель Сантос-Сантос из Института вычислительной космологии, факультет физики Даремского университета, сказала: «Мы знаем, что у Млечного Пути есть около 60 подтверждённых галактик-спутников, но мы думаем, что вокруг Млечного Пути на близких расстояниях должно быть ещё несколько десятков таких слабых галактик».
«Если наши прогнозы верны, это добавит больше веса теории Lambda Cold Dark Matter о формировании и эволюции структуры во Вселенной».
«Наблюдательные астрономы используют наши прогнозы в качестве эталона для сравнения с новыми данными, которые они получают».
«Однажды мы сможем увидеть эти „пропавшие“ галактики, что будет чрезвычайно захватывающим и может рассказать нам больше о том, как Вселенная стала такой, какой мы её видим сегодня».
Концепция LCDM является краеугольным камнем нашего понимания Вселенной. Она легла в основу стандартной модели космологии и является наиболее широко принятой моделью для описания эволюции и структуры Вселенной в крупных масштабах.
Модель прошла многочисленные проверки, но недавно была поставлена под сомнение из-за загадочных наблюдательных данных о карликовых галактиках.
Исследователи из Дарема говорят, что даже лучшие существующие космологические симуляции (которые включают в себя газ и звездообразование, помимо тёмной материи) не имеют разрешения, необходимого для изучения галактик такой же тусклости, как те, что астрономы начинают обнаруживать вблизи Млечного Пути.
Эти симуляции также не обладают точностью, необходимой для отслеживания эволюции небольших гало тёмной материи, в которых находятся карликовые галактики, когда они вращаются вокруг Млечного Пути в течение миллиардов лет. Это приводит к искусственному разрушению некоторых гало, в результате чего галактики становятся «сиротскими».
Хотя в симуляциях теряются гало «сиротских» галактик, такие галактики должны сохраниться в реальной Вселенной. Исследователи из Дарема объединили космологическое суперкомпьютерное моделирование с аналитическими моделями, чтобы преодолеть эти численные проблемы.
Это включало симуляцию Aquarius, созданную Virgo Consortium. Aquarius — это симуляция с высочайшим разрешением тёмного гало Млечного Пути, когда-либо созданная, и используется для понимания мелкомасштабной структуры, предсказанной вокруг Млечного Пути.
Также использовалась модель GALFORM — передовой код, разработанный в Дареме за последние два десятилетия, который отслеживает детальные физические процессы, ответственные за формирование и эволюцию галактик.
Их результаты показали, что гало тёмной материи, в которых может находиться галактика-спутник, вращаются вокруг центрального гало Млечного Пути на протяжении большей части возраста Вселенной, что приводит к потере их тёмной материи и звёздной массы, делая их чрезвычайно маленькими и тусклыми.
В результате исследование предсказывает, что общее число галактик-спутников — любой яркости — вероятно, существующих вокруг Млечного Пути, составляет около 80 или потенциально до 100, больше, чем известно в настоящее время.
Особое внимание в исследовании уделяется примерно 30 недавно обнаруженным крошечным кандидатам в галактики-спутники Млечного Пути, которые чрезвычайно тусклые и маленькие. Учёные не уверены, являются ли они карликовыми галактиками, встроенными в гало тёмной материи, или шаровыми скоплениями — коллекциями самогравитирующих звёзд.
Исследователи из Дарема утверждают, что эти объекты могут быть подмножеством слабой популяции галактик-спутников, существование которых они предсказывают.
Профессор Карлос Френк из Института вычислительной космологии, факультет физики Даремского университета, сказал: «Если популяция очень слабых спутников, которую мы предсказываем, будет обнаружена с помощью новых данных, это будет замечательным успехом теории LCDM о формировании галактик».
«Это также станет наглядной иллюстрацией силы физики и математики. Используя законы физики, решённые с помощью большого суперкомпьютера, и математическое моделирование, мы можем делать точные прогнозы, которые астрономы, оснащённые новыми мощными телескопами, могут проверить. Лучше и быть не может».