Пуля, не попавшая в цель: астрофизики нашли замену темной материи в остатках массивных звезд

Группа астрофизиков под руководством профессора Павла Кроупы из Боннского университета и его коллег провела повторный анализ знаменитого скопления галактик Пуля (Bullet Cluster) с использованием новых данных космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST). Ученые обнаружили, что гравитационное линзирование, долгое время служившее главным аргументом в пользу существования темной материи, может быть объяснено наличием обычных, но невидимых компактных объектов — остатков массивных звезд, таких как нейтронные звезды и черные дыры. Результаты этого неожиданного вывода, ставящего под сомнение необходимость привлекать темную материю для объяснения наблюдений, были опубликованы в журнале Physical Review D.

Около четырех миллиардов лет назад во Вселенной произошла одна из самых грандиозных катастроф: два гигантских скопления галактик, каждое из которых содержит сотни галактик и миллиарды звезд, столкнулись на скорости, превышающей две с половиной тысячи километров в секунду. Главную роль в этом космическом происшествии сыграл не звездный свет, а межзвездный газ, составляющий основную часть видимой материи в таких структурах. Когда газовые облака двух скоплений пронзили друг друга, они столкнулись с колоссальным трением, которое резко затормозило их движение и нагрело до чудовищных температур. Сегодня эти раскаленные газовые облака видны с Земли в рентгеновском диапазоне как два ярких размытых пятна, расположенных относительно близко.

В то же время сами галактики, состоящие из звезд, практически не пострадали. Из-за огромных межзвездных расстояний звезды просто пролетели мимо друг друга, не замечая препятствий, и ушли далеко вперед, отделившись от собственного газа. В результате сложилась уникальная конфигурация: слева от газового пятна находится одно скопление галактик, а справа от второго пятна — другое скопление. Именно эта асимметричная структура, получившая название скопление Пуля, и стала яблоком раздора для астрофизиков всего мира.

Главная загадка этого объекта всегда крылась в эффекте гравитационного линзирования. Свет от далеких галактик, находящихся за скоплением Пуля, искажается, проходя через искривленное пространство, и на изображениях выглядит как изогнутые дуги или полумесяцы. Согласно теории Эйнштейна, сила этого искривления напрямую зависит от массы материи на линии наблюдения.

Удивительно, но самые мощные искажения были зафиксированы не в тех областях, где находятся горячие газовые облака (где, по идее, должна быть сосредоточена основная масса видимого вещества), а ровно там, где расположились скопления галактик, по бокам от газа. Это несоответствие на протяжении многих лет считалось классическим «недостающим звеном» и главным козырем сторонников темной материи: предполагалось, что невидимая субстанция, не взаимодействующая с газом, спокойно прошла сквозь столкновение вместе с галактиками, создав тем самым «гравитационный след» без видимого источника.

Однако группа Кроупы предложила совершенно иное прочтение этих данных. Благодаря беспрецедентной чувствительности и разрешающей способности телескопа Джеймс Уэбб, исследователям удалось с невероятной точностью пересчитать количество и распределение звезд в обоих скоплениях. Кроме того, спектральный анализ подтвердил наличие в скоплении Пуля огромного количества тяжелых элементов, таких как железо и кислород, которые рождаются исключительно в недрах очень массивных звезд в процессе термоядерного синтеза.

Жизненный цикл таких гигантов короток: они сгорают и коллапсируют, оставляя после себя нейтронные звезды или черные дыры. Эти объекты абсолютно невидимы в оптическом и рентгеновском диапазонах, но обладают колоссальной массой, сконцентрированной в крошечном объеме, и создают мощное гравитационное поле.

Именно эти «призраки» умерших звезд, по мнению авторов исследования, и являются источником избыточного гравитационного линзирования. Расчеты показали, что совокупного влияния видимых звезд и огромного количества черных дыр с нейтронными звездами, оставшихся после бурной эпохи звездообразования, достаточно для объяснения наблюдаемых искажений света. Этот вывод радикально меняет картину мира: он позволяет обойтись без привлечения гипотетической темной материи в рамках альтернативной теории модифицированной ньютоновской динамики, известной как MOND. Ранее считалось, что именно скопление Пуля ставит крест на теории MOND, но теперь выясняется, что этот объект, наоборот, прекрасно вписывается в ее предсказания.

Что же касается стандартной космологической модели, она также не остается в проигрыше. Даже если мы по-прежнему будем придерживаться гипотезы о существовании темной материи, новые данные заставляют радикально пересмотреть ее количество в этой конкретной системе.

Согласно результатам работы, доля невидимой экзотической материи в скоплении Пуля должна быть как минимум вдвое меньше, чем предполагалось до сих пор. Пространство, которое ранее приписывали неизвестной субстанции, теперь уверенно занимают компактные гравитационные объекты звездного происхождения.

Таким образом, главный итог этого исследования заключается не в окончательном отрицании темной материи, а в том, что научное сообщество получило убедительное и элегантное объяснение одного из своих самых сложных наблюдений без привлечения эзотерических сущностей. Скопление Пуля перестает быть однозначным триумфом темной материи и превращается в поле для равноправной конкуренции двух теорий. Работа, опубликованная в Physical Review D, поднимает планку требований к точности наблюдений и вынуждает астрофизиков более внимательно относиться к «обычным» невидимым объектам, которые могут оказаться гораздо более значимыми для динамики Вселенной, чем считалось ранее.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях