Галактики могут сами создавать «следы» темной материи в звездных потоках

Звездные потоки — это вытянутые цепочки звезд, которые остаются после того, как шаровое скопление или карликовая галактика разрушаются приливными силами. Они продолжают обращаться вокруг центра галактики, постепенно вытягиваясь вдоль своей орбиты. Для астрономов эти структуры особенно ценны: их форма чутко реагирует на гравитационное поле, в котором они движутся.

Ученые давно использовали звездные потоки как естественные индикаторы темной материи — гипотетической субстанции, на долю которой приходится около 27 процентов плотности массы-энергии Вселенной. Темная материя не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя гравитационно. Считается, что вокруг каждой крупной галактики существует гало темной материи, в котором могут встречаться отдельные сгустки — субгало. Когда такое субгало проходит рядом со звездным потоком, его притяжение искажает траектории звезд, создавая разрывы, изгибы и другие особенности.

Однако международная команда астрономов под руководством Арпита Арора из Вашингтонского университета задалась вопросом: не могут ли похожие структуры возникать из-за самой галактики? Ведь ее гравитационное поле неоднородно и меняется со временем под влиянием диска, спиральных рукавов, соседних галактик и других факторов.

Компьютерное моделирование

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые провели компьютерное моделирование. Они создали 15 тысяч виртуальных звездных потоков в четырех галактиках, масса которых сопоставима с массой Млечного Пути. Среди этих галактик были как относительно спокойные системы, так и те, что пережили слияния с массивными объектами — такими как Большое Магелланово Облако или карликовая галактика Стрелец.

Каждый поток состоял из 10 тысяч тестовых частиц, за которыми наблюдали на протяжении пяти миллиардов виртуальных лет. Важно, что из модели полностью исключили влияние небольших возмущающих объектов — субгало темной материи и молекулярных облаков. При этом сохранили меняющееся гравитационное поле галактики-хозяйки, включая диск, гало и спиральные рукава.

Результаты оказались впечатляющими: только 70 из 15 тысяч потоков остались полностью ровными, без каких-либо заметных особенностей. Около 74 процентов потоков приобрели хотя бы один изгиб или разрыв, а некоторые оказались почти полностью разрушены.

Что это значит для поисков темной материи

Особенно сильные искажения наблюдались у потоков, чьи орбиты проходили ближе, чем примерно 15 килопарсеков от центра галактики. В этой области гравитационное поле наиболее сложное и изменчивое, что приводит к более частым деформациям.

Авторы работы подчеркивают, что их результаты не отрицают возможность использования звездных потоков для поиска темной материи. Однако теперь астрономы должны научиться различать структуры, вызванные самой галактикой, и те, что действительно связаны с субгало. Только после этого можно будет с высокой уверенностью интерпретировать наблюдаемые особенности.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.