13.4K
Конец Млечного Пути уже намечен и будет ознаменован грандиозным фейерверком. Через 4 миллиарда лет ночное небо осветится заревом сотен миллионов лет, когда на нас упадет соседняя галактика Андромеда. Два небесных гиганта станут одним целым, звезды, планеты и облака газа буду ввергнуты в межгалактический танец. Уцелевшие звезды и планеты, а также вновь родившиеся светила в перемешанных облаках газа отправятся в долгий путь, не по Млечному Пути или Андромеде, а по чудовищной галактике Милкомеде.
Это устоявшаяся картина катастрофического будущего нашей Галактики. Но вдруг это ее прошлое?Наблюдения свидетельствуют, что выпотрошенные остатки прошлого столкновения двух небесных гигантов кружат по соседству с Млечным Путем. Странное выравнивание спутниковых галактик, шаровых скоплений и потоков звезд намекает, что местную космическую историю нужно переписать. Как и многие большие вопросы, все начиналось с малого: со странной конфигурации крошечных карликовых галактик, окружающих Млечный путь.
В 2012 году астроном Марсель Павловски из Боннского университета в Германии окрестил их «обширными полярными структурами». Он был отнюдь не первым астрономом, заметившим их. Дональд Линден-Белл из Кембриджского университета в 1976 году обнаружил, что галактические спутники Млечного Пути не разбросаны хаотично, а выглядят так, будто что-то загнало их в идеальное выравнивание.
«Изначально предполагали, что это может быть результатом распада большей галактики. Это было время активных дискуссий, но вскоре тема стала непопулярной», – сказал Павловски.
Причиной этому стал всепоглощающий интерес к темной материи. Темная материя в 1970 году стала инструментом, объяснившим вопиющее несоответствие между стандартной космологической моделью и практическими наблюдениями. Когда астрономы измерили скорость далеких галактик, они обнаружили, что небесные тела кружатся так быстро, что гравитации видимой материи элементарно недостаточно для удержания их вместе. Бешеное вращение объяснялось тем, что галактики в большей степени состоят из частиц, невзаимодействующих со светом и, соответственно, невидимых. Никто не обнаружил частицы темной материи, однако ее популярность росла и росла. Существующая в огромных количествах загадочная субстанция объяснила не только галактическое вращение, но и форму галактик, таких как Млечный Путь. Моделирование формирования галактик с учетом темной материи прекрасно воспроизводит спиральную форму. Сегодня ученые считают, что галактики окружены «гало» из темной материи, которая порождает гравитацию и удерживает все вместе.Также расчеты показывают, что темная материя коллапсирует, формируя гало галактики, препятствуя падению обычной материи и порождая карликовые галактики, беспорядочно разбросанные вокруг большей родительской галактики.
После этих открытий ученых перестало занимать, что карликовые спутники Млечного Пути отнюдь не хаотично разбросаны. На фоне огромного успеха модели темной материи большинство астрономов заявили, что готовы закрыть глаза на этот небольшой конфуз, предполагая, что еще не обнаружены все карликовые спутники Млечного Пути.
Но в 2005 году Павел Кроупа из Боннского университета переосмыслил данные о спутниках Галактики и подтвердил поразительное несоответствие теории темной материи. Павловски, докторант Кроупы, пошел еще дальше. Он изучил расстановку других объектов в гало Млечного Пути, шаровых скоплений и длинных тонких звездных нитей, похожих на результат распада карликовых галактик. Павловски обнаружил, что они упорядочены подобно карликовым галактикам.
Чтобы это объяснить, Павловски обратился к первоначальному предположению Линден-Белла о том, что это могло быть обломками межгалактического столкновения, и убедился, что это вполне возможно. Он хотел разобраться, действительно ли карликовые галактики могут быть остатками взаимодействия двух галактик. Астрономы наблюдали немало таких галактических танцев во Вселенной, выбрасывающих в космос огромные хвосты из звезд и газа. Его моделирование подтвердило, что карликовые галактики Млечного Пути могли занять наблюдаемые позиции после такого столкновения. Но с чем именно столкнулся Млечный путь?
Явного кандидата не было до 2013 года, когда Родриго Ибата из обсерватории Страсбурга опубликовал наблюдения, которые продемонстрировали подобные полярные структуры карликовых галактик вокруг туманности Андромеды, ближайшей галактической соседки, расположенной от нас в 2,5 миллионах световых лет.
Карликовые спутники над плоскостью Андромеды двигаются от нас, а те, что внизу – к нам. Это убедительное доказательство того, что диск не имеет шанса на выравнивание, но все же обладает стройной вращающейся структурой. Спутниковый диск Андромеды вращается наподобие нашего и имеет перекос в 35 градусов от полярной структуры нашей Галактики. Это ровно столько, сколько можно было бы ожидать, если две галактики взаимодействовали в прошлом.
Другого объяснения нет. Даже с учетом наличия гало темной материи, Андромеде и Млечному Пути просто не хватает массы, и, следовательно, взаимное притяжение подтолкнуло их к столкновению.
Так что это патовая ситуация. Если только что-то не происходит с гравитацией? Теории Ньютона и Эйнштейна предполагают, что сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя массивными объектами, что, кажется, действительно уравновешивает нашу Солнечную систему: орбита Плутона находится именно там, где и ожидалось. Но пока мы не в состоянии проверить это предположение на больших масштабах.
В 1980-х годах появилось предположение, что сила тяжести не везде одинакова, и это явилось альтернативой темной материи. Идея, известная как «Модифицированная ньютоновская динамика» (MOND), была высказана Мордехаем Милгромо из Принстонского университета в Нью-Джерси. Он обнаружил, что вращение галактик могло бы быть почти идеальным в ситуациях, где гравитационное поле является относительно слабым, а его сила перестает снижаться в зависимости от квадрата расстояния и выравнивается. В таких средах на дальних рубежах галактики гравитация будет сильнее, чем предполагалось. В 2014 году Хуншен Жао из Сент-Эндрюсского университета показал, что такое незначительное изменение обеспечило бы взаимодействие Млечного Пути с Андромедой 7-11 миллиардов лет назад.
«Попросту говоря, модифицированная ньютоновская динамика настаивает на столкновении галактик в прошлом», – пояснил Павловски.
Тем не менее, MOND – не популярная гипотеза среди физиков. Хотя гравитация никогда не испытывалась в очень слабых полях, мысль о том, что природа изменяет свою силу, неприятна для большинства. Кроме того, MOND сталкивается с проблемами при очень больших массах. В скоплениях галактик, темная материя все же необходима для их удержания вместе. Горячие и холодные регионы реликтового излучения также трудно объяснить без некоторой формы темной материи, содействующей объединению обычной материи в галактики.
Физик-теоретик из Университета Пенсильвании в Филадельфии Джастин Хури был очарован успехом MOND в описании космической динамики в масштабах галактик и ее провалом для более крупных объектов. «Необходим компонент, который изменяет гравитацию в галактиках, но практически не действует в огромных масштабах. Как это объяснить?» – спрашивает Хури. Ответ: сверхтекучесть.
Идея Хури основывается на конденсате Бозе-Эйнштейна, который проявляет себя в некоторых видах обычной атомной материи, как только их температура упадет ниже определенной. В этом состоянии составные частицы начинают вести себя как единая концентрированная масса, которая не имеет вязкости и течет без препятствий. Как только температура повышается, они возвращаются обратно в нормальное, вязкое текучее состояние.
Если частицы темной материи могут вести себя как конденсат Бозе-Эйнштейна, это бы объяснило гипотезу MOND на определенных масштабах космических объектов, и обычную темную материю на других. В относительно слабых гравитационных полях галактик, темная материя будет тихоходной и иметь низкую эффективную температуру. Она бы проскользнула в «государство» Бозе-Эйнштейна, в котором энергия будет равномерно распространяться по всей протяженности, изгибая пространство и создавая дополнительную гравитационную силу. Но в сильных гравитационных полях, например, в скоплениях галактик, согласованности не будет, темная материя будет вести себя обычным образом.
Хури не первый кто предложил, что темная материя схожа с конденсатом Бозе-Эйнштейна, но он является первым, кто предположил, что это сможет объединить, кажущиеся непримиримо противоположными модели. Кроме этого, новая гибридная модель показывает, что темная материя в миллиарды раз легче, чем прогнозируют существующие модели.
В настоящее время Хури занят разработкой компьютерных моделей, которые покажут, как сверхтекучее гало темной материи влияет на слияние галактик, и выявят несоответствия гипотезы, если они есть. Кроме этого он сотрудничает с физиком из Университета Пенсильвании Томом Любенски, изучающим конденсированную материю, чтобы установить, является ли поведение переохлажденной атомной жидкости точно прогнозируемым. «Если это так, то мы сможем ее использовать для моделирования слияния галактик в лабораторных условиях», – пояснил Хури.
Некоторые считают разговоры о сверхтекучей темной материи и изменении гравитации ненужным и нежелательным усложнением. Эд Шая из Мэрилендского университета в Колледж-Парке считает, что несоответствие между смоделированным и реальным расположением карликовых галактик вполне может быть нехваткой вычислительных мощностей, [g+]ограничивающих моделирование. Он уверен, что есть решение в обычной физике. «Еще не время отказываться от стандартной модели», – добавил Эд.
Ничего из этого не повлияет на нашу судьбу, и мы безмятежно будем ожидать фейерверк в конце пути нашей Галактики. Но что если это будет повторением? Кто знает, возможно нам придется изменить наше представление о гравитации и темной материи. Или, возможно, нам стоить отметить в календаре более раннюю дату образования Милкомеды.
*По материалам статьи, опубликованной 2 апреля 2016 года в журнале New Scientist.