Галактики помнят рождение Вселенной: их вращение сохранило след древней гравитации

Спиральные галактики выглядят как гигантские космические водовороты. Звезды, газ и темная материя движутся вокруг их общего центра, а вся система обладает огромным угловым моментом. Но откуда первоначально взялось это вращение? Новое исследование показывает, что часть ответа может быть скрыта в эпохе, когда самих галактик еще не существовало.

Международная группа астрономов под руководством Мин-Цзе Шэна из Сямэньского университета получила наиболее убедительные на сегодняшний день свидетельства того, что вращение современных галактик частично определяется гравитационными силами, действовавшими в молодой Вселенной. Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.

Если вывод подтвердится дальнейшими наблюдениями, галактики можно будет рассматривать как своеобразные космические «ископаемые». Их современное движение содержит остаточную информацию о распределении вещества миллиарды лет назад, когда будущие галактики представляли собой лишь небольшие неоднородности в огромной космической паутине.

Вращение имеет фундаментальное значение для эволюции галактики. Угловой момент влияет на ее размеры, форму, распределение звезд и газа и даже на то, насколько эффективно вещество способно перемещаться к центральным областям. Большой вращающийся диск и массивная эллиптическая галактика могут иметь совершенно разную историю, но обе системы должны были каким-то образом получить свой первоначальный угловой момент.

Одно из главных объяснений известно как теория приливного момента. Ее основная идея удивительно проста: будущие галактики начали вращаться благодаря неравномерному гравитационному притяжению окружающего вещества.

В ранней Вселенной материя была распределена почти однородно, но не идеально. Существовали небольшие области повышенной и пониженной плотности. Под действием гравитации более плотные участки постепенно притягивали дополнительное вещество и со временем превращались в галактики, скопления и гигантские нити современной космической паутины.

Будущая галактика при этом не существовала в полной изоляции. Рядом находились другие неоднородности, которые притягивали ее вещество. Если исходное облако газа и темной материи имело неправильную или вытянутую форму, гравитация действовала на разные его части с неодинаковой силой.

Представить этот процесс можно на примере вытянутого предмета, который находится рядом с массивным объектом. Его ближайшая сторона испытывает несколько более сильное притяжение, чем дальняя. Если геометрия системы не обладает идеальной симметрией, разница сил создает крутящий момент и объект начинает вращаться.

Нечто подобное, согласно теории приливного момента, происходило с первичными сгустками вещества. Окружающее распределение материи создавало гравитационный крутящий момент еще до того, как сгусток превратился в полноценную галактику. В дальнейшем часть этого первоначального вращения должна была сохраниться.

Теория существует десятилетиями и хорошо согласуется с современными представлениями о формировании крупномасштабной структуры Вселенной. Однако непосредственно проверить ее чрезвычайно трудно. Главная проблема очевидна: невозможно наблюдать одну и ту же галактику сначала в младенческом состоянии, а затем спустя миллиарды лет сравнить направление ее вращения.

Кроме того, жизнь галактик весьма бурная. Они сталкиваются и сливаются друг с другом, поглощают небольшие галактики-спутники, захватывают газ и взаимодействуют с окружающим веществом. Каждый такой процесс способен изменить первоначальный угловой момент.

Поэтому древний гравитационный сигнал, если он вообще сохранился, должен быть скрыт под миллиардами лет последующей эволюции.

Авторы новой работы попытались решить эту проблему с помощью проекта ELUCID, предназначенного для реконструкции структуры локальной Вселенной. Вместо прямого путешествия в прошлое ученые используют современное распределение галактик и численные модели, чтобы восстановить вероятное распределение вещества на более ранних этапах космической истории.

Фактически исследователи попытались «перемотать» эволюцию крупномасштабной структуры назад. Зная, где сегодня расположены галактики, скопления и другие структуры, можно статистически реконструировать первоначальные неоднородности, из которых они сформировались.

После этого ученые рассчитали приливные гравитационные силы, которые должны были действовать на вещество будущих галактик. Теория позволила предсказать направление первоначального углового момента каждой исследуемой системы.

Но одного теоретического предсказания недостаточно. Его необходимо сравнить с тем, как реальные галактики вращаются сегодня. Поэтому команда использовала спектроскопические наблюдения движения звезд и газа в большом числе галактик ближайшей Вселенной.

Определить вращение далекой галактики можно благодаря эффекту Доплера. Вещество на одной ее стороне движется относительно наблюдателя немного к нам, а на другой — от нас. Это вызывает небольшое смещение спектральных линий и позволяет восстановить внутреннюю кинематику системы.

Затем исследователи сравнили современное направление углового момента с тем, которое следовало из реконструированного гравитационного поля молодой Вселенной.

Наиболее сильная корреляция обнаружилась для газа в крупных массивных эллиптических галактиках. Его наблюдаемое вращение оказалось связано с направлением углового момента, предсказанного по первичным приливным силам. Статистическая значимость результата позволила с высокой уверенностью исключить простое случайное совпадение.

Это означает, что по крайней мере часть современных галактик действительно могла сохранить «память» о гравитационном окружении, существовавшем задолго до их окончательного формирования.

Однако результат не означает, что судьба каждой галактики была полностью предопределена в первые эпохи существования космоса. Первоначальный угловой момент является лишь стартовым условием. За миллиарды лет столкновения, слияния, аккреция газа и взаимодействия с соседями способны серьезно изменить направление и скорость вращения.

Особенно разрушительными для первоначального сигнала являются крупные слияния. Когда две галактики сталкиваются, их собственные угловые моменты смешиваются с орбитальным движением всей системы. Итоговая галактика может вращаться совсем не так, как ее далекий предшественник.

Именно поэтому обнаружение сохранившейся корреляции представляет такой интерес. Несмотря на хаотичную историю роста галактик, первоначальная информация оказалась стерта не полностью. Некоторая часть гравитационного «отпечатка» ранней Вселенной пережила миллиарды лет космической эволюции.

Это открывает интересную возможность использовать вращение галактик не только для изучения самих галактик, но и как независимый источник информации о раннем космосе.

Сегодня свойства молодой Вселенной исследуют прежде всего по реликтовому излучению, распределению галактик и крупномасштабной структуре. Если угловой момент галактик действительно сохраняет информацию о первичных приливных полях, появляется еще один наблюдаемый параметр, который можно сравнивать с космологическими моделями.

Особый интерес представляет темная материя. Именно она, согласно современной космологии, формировала основной гравитационный каркас, в котором впоследствии собиралось обычное вещество. Поэтому ориентация и вращение галактик потенциально могут нести информацию о древнем распределении невидимой материи.

Авторы также указывают на возможность исследования нейтрино. Эти чрезвычайно легкие и слабо взаимодействующие частицы присутствовали в огромных количествах в ранней Вселенной и влияли на формирование космической структуры. Их масса очень мала, однако даже столь слабый эффект способен оставить статистический след в распределении вещества.

Если измерения вращения миллионов галактик удастся достаточно точно связать с реконструированными первичными гравитационными полями, в будущем такой метод может дополнить другие способы определения космологических параметров и массы нейтрино.

Предстоит проверить, насколько устойчив обнаруженный эффект для различных типов галактик, как он зависит от массы и окружения и насколько сильно его разрушают слияния. Для этого понадобятся значительно более крупные обзоры неба и точные измерения движения вещества внутри галактик.

Но уже сейчас работа предлагает необычный взгляд на окружающую Вселенную. Современная галактика — это не только результат происходящих сегодня процессов. В направлении движения ее звезд и газа может сохраняться информация о времени, когда не существовало ни звезд, ни планет, ни самих галактик в привычном нам виде.

Каждое вращение такого гигантского звездного острова в определенной степени может быть продолжением едва заметного гравитационного толчка, полученного более десяти миллиардов лет назад. Если научиться правильно читать этот древний сигнал, галактики станут инструментом для исследования эпохи, когда космическая структура только начинала приобретать знакомые нам очертания.