Млечный Путь может создавать ложные следы темной материи: новые модели изменили представление о звездных потоках

Темная материя остается одной из главных загадок современной астрофизики. Мы не видим ее непосредственно, но наблюдаем гравитационные эффекты, указывающие на существование огромного количества невидимой массы. Одним из перспективных способов поиска ее следов считалось изучение длинных звездных потоков вокруг Млечного Пути. Новое моделирование показало, что интерпретировать такие структуры значительно сложнее: сама галактика способна создавать особенности, удивительно похожие на предполагаемые следы темной материи.

Звездные потоки выглядят как длинные и сравнительно узкие цепочки звезд, растянутые вокруг галактики. Они возникают из звездных скоплений и небольших галактик-спутников, попавших под воздействие мощного гравитационного поля Млечного Пути. При многократных оборотах звезды постепенно отделяются от исходной системы и распределяются вдоль ее орбиты, образуя нить протяженностью в тысячи световых лет.

Для астрономов такие потоки представляют своеобразные гравитационные датчики. Если через поток или рядом с ним пройдет массивный невидимый объект, его притяжение может изменить движение звезд. В результате в относительно ровной звездной нити теоретически возникают разрыв, изгиб, уплотнение или другое нарушение структуры.

Одним из возможных источников таких возмущений считаются субгало темной материи. Согласно распространенным космологическим моделям, большое гало темной материи вокруг Млечного Пути должно содержать множество более мелких концентраций невидимой массы. Некоторые из них могут практически не содержать звезд и поэтому обнаруживаться только по гравитационному воздействию.

Отсюда возникла привлекательная идея: найти необычную структуру звездного потока и по ее форме восстановить встречу с невидимым субгало. Однако исследование Вашингтонского университета показало, что сначала необходимо гораздо точнее учитывать воздействие самой галактики.

Ученые создали четыре виртуальные галактики размером примерно с Млечный Путь и добавили к ним около 15 000 звездных потоков. Ключевая особенность эксперимента состояла в отсутствии тех скоплений темной материи, которые должны были бы специально повреждать потоки. После этого исследователи проследили за развитием систем на протяжении пяти миллиардов виртуальных лет.

Если бы основным источником разрывов и изгибов действительно являлись субгало темной материи, большинство потоков в подобных моделях должно было остаться относительно гладким. Получился практически противоположный результат. Из примерно 15 000 смоделированных потоков только около 70 сохранили правильную структуру.

Остальные приобретали изгибы, разрывы, ответвления, уплотнения и другие особенности. Некоторые звездные потоки подвергались настолько сильному воздействию, что их первоначальная структура практически разрушалась. Причиной оказалась не дополнительная невидимая масса, а сложное гравитационное поле самой галактики.

Млечный Путь нельзя представить как идеально симметричный диск с равномерно распределенными звездами. В реальных галактиках существуют спиральные структуры, неоднородности плотности и центральные области со сложным распределением вещества. Все это создает меняющийся гравитационный ландшафт.

Когда звездный поток проходит через более плотную область, его отдельные части испытывают немного различающееся притяжение. За миллиарды лет даже небольшие воздействия накапливаются и способны серьезно изменить первоначально тонкую звездную нить. Особенно выраженным этот эффект оказался для потоков, орбиты которых проходят ближе к центральным областям галактики.

Полученный результат не означает, что темная материя не влияет на звездные потоки. Напротив, согласно современным моделям, такое влияние должно существовать. Проблема заключается в другом: некоторые признаки, которые можно было бы принять за воздействие невидимого субгало, возникают естественным образом и без него.

Это классическая проблема поиска слабого сигнала на сложном фоне. Чтобы использовать звездный поток как детектор темной материи, сначала необходимо достаточно хорошо рассчитать все искажения, создаваемые обычной материей и общей структурой Млечного Пути. Только оставшиеся необъясненными особенности можно будет уверенно рассматривать как кандидатов на воздействие темной материи.

Следующим этапом исследователи собираются добавить субгало темной материи в аналогичные модели. Сравнение двух вариантов должно показать, существуют ли характерные типы повреждений звездных потоков, которые обычная структура галактики воспроизводит редко или не воспроизводит вообще.

Большую роль сыграют и новые наблюдения. Обсерватория имени Веры Рубин должна значительно увеличить количество известных звездных потоков Млечного Пути. Чем больше таких структур увидят астрономы, тем точнее они смогут классифицировать их изгибы, разрывы и уплотнения и сравнивать реальные данные с компьютерными моделями.

Новое исследование поэтому не закрывает перспективный метод поиска темной материи, а делает его более строгим. Звездные потоки действительно сохраняют историю гравитационных воздействий, пережитых за миллиарды лет. Но прежде чем считать необычный разрыв отпечатком невидимого объекта, придется убедиться, что его не оставила сама галактика.