Една от основните цели на съвременната астрофизика остава прецизното определяне на масата и структурата на нашата Галактика. Това изчисление се основава на сравнение на две величини: наблюдаваното движение на звездите и разпределението на гравитационната материя. Чрез измерване на скоростите на въртене на звездите и газа на различни разстояния от галактическия център, учените реконструират така наречената крива на въртене.
Концепцията за тъмната материя
Десетилетия наблюдения показват, че външните области на Млечния път се въртят много по-бързо от очакваното, ако се вземат предвид само видимите обекти – звезди, планети и междузвезден газ. За да се обясни това несъответствие, в научната практика е въведена концепцията за тъмна материя. Смята се, че тя е невидимо вещество с неизвестна природа, което обгражда галактиката в сферичен ореол и създава необходимата гравитационна сила.
Прочетете също: Нещо незнайно я свързва: Тъмната материя взаимодейства без гравитация
Изчисленията на плътността на тъмната материя обаче винаги се извършват по остатъчен метод. Масата на цялата известна обикновена (барионна) материя се изважда от общата гравитационна маса, необходима за поддържане на текущата скорост на въртене на звездите. Останалата част се приписва на тъмната материя. Това означава, че всяко подценяване на масата на обикновената материя в Галактиката автоматично води до надценяване на плътността на тъмната материя.
Ново проучване на физици от университета в Хамбург предполага, че астрономите може да са пропуснали колосално количество обикновена материя. Те включват междузвездни обекти - ледени кометни ядра и скалисти астероиди, които са били изхвърлени от своите планетарни системи и сега се носят свободно в галактическото пространство.
Откриване на междузвездни обекти и скалата 3I/ATLAS
Дълго време съществуването на междузвездни обекти оставаше теоретично предположение. Тяхното присъствие беше потвърдено инструментално едва през последните години, благодарение на повишената чувствителност на телескопите. Към днешна дата астрономите са открили три такива обекта, летящи през вътрешната част на Слънчевата система по отворени хиперболични траектории: 1I/Omuamua, 2I/Borisov и 3I/ATLAS.
Обектът 3I/ATLAS е от особено значение за изчисленията на масата. За разлика от относително малките Оумуамуа и кометата Борисов, радиусът на ядрото на ATLAS се оценява на между 1,6 и 5,6 километра (при определени оптични свойства на повърхността тази цифра може да достигне 10 километра).
Тъй като масата на всяко небесно тяло зависи от неговия обем, тя е пропорционална на куба на неговия радиус. Десетократно увеличение на радиуса на обект означава хилядократно увеличение на неговата маса, при същата плътност на материята. Откриването на толкова голямо тяло като 3I/ATLAS в самото начало на систематичните наблюдения показва, че популацията от големи междузвездни обекти в Галактиката е изключително голяма.
За да се оцени общият брой на тези обекти в мащаба на Млечния път, тяхната скорост играе ключова роля. Скоростта на 3I/ATLAS спрямо Слънцето е приблизително 57,9 км/с. В звездната динамика, такава висока скорост показва значителна възраст на обекта. По време на формирането на планетарните системи, твърдите тела се изхвърлят в междузвездното пространство с относително ниски скорости и първоначално се движат в същата равнина като младите звезди – така нареченият тънък диск на Галактиката.
Въпреки това, в продължение на милиарди години тези обекти са подложени на гравитационно привличане от други звезди и масивни газови облаци. Всяко такова сблъскване леко променя траекторията на обекта и увеличава скоростта му. Този процес, наречен динамична релаксация, постепенно изтласква по-старите обекти към по-високи и по-наклонени орбити.
Високата скорост на 3I/ATLAS показва, че тази популация принадлежи към „дебелия диск“ на Галактиката. Тази пространствена структура се простира на приблизително 0,8 килопарсека височина от двете страни на галактическата равнина, като радиалният ѝ размер в равнината на диска достига 7 килопарсека. Учените оценяват възрастта на тази популация на между 3 и 11 милиарда години.
Тъй като астрономите могат директно да наблюдават само няколко обекта, преминаващи близо до Земята, се използват математически методи за оценка на общия им брой в цялата Галактика.
След като интегрираха получения модел на разпределението на междузвездните тела в общия динамичен модел на Галактиката, авторите го сравниха с данни за скоростите на звездите от каталога Gaia DR3. Изчисленията показват, че общата маса на междузвездната обектна популация може да достигне до 5 x 10¹⁰ слънчеви маси. Това е сравнимо с масата на целия звезден компонент на Млечния път.
Според базовия модел, плътността на тъмната материя в близост до Слънчевата система е приблизително 0,44 GeV/cm³. Когато се вземе предвид най-вероятната маса на междузвездния диск, тази стойност пада до 0,38 GeV/cm³ (разлика от приблизително 13%). В случай на максималната статистически допустима маса на междузвездните тела, локалната плътност на тъмната материя намалява до 0,24 GeV/cm³, или с почти 45%.
Намаляването на очакваната плътност на тъмната материя пряко влияе върху резултатите от експериментите за откриване на тъмна материя. За да оценят мощността на излъчване, физиците изчисляват геометричен параметър, наречен J-фактор. Изчисленията показват, че отчитането на диска от междузвездни обекти намалява средния J-фактор за централната област на Млечния път от базовата линия от 2,65 x 10²² GeV² cm⁻⁵ до 1,97 x 10²² GeV² cm⁻⁵ в умерения сценарий и до 7,88 x 10²¹ GeV² cm⁻⁵ в максималния сценарий. Очакваният поток от гама-лъчи намалява няколко пъти, което налага преосмисляне на интерпретацията на данните от космическия гама-телескоп.
Предложеният модел, в който междузвездните обекти представляват толкова значителна част от масата на Галактиката, налага строги изисквания към процесите на формиране на планети. За да се изхвърли такова количество материя в космоса, на практика всяка звезда в Галактиката трябва да е разпръснала гигантски обем твърд материал в междузвездното пространство по време на фазата на формиране на планетите. Това представлява значително предизвикателство за съвременните теории за формиране на планетите.
Изследването обаче посочва важен методологичен проблем: съществуващите оценки на плътността на тъмната материя може да съдържат систематични грешки поради недостатъчните ни познания за слабите или невидими компоненти на обикновената материя. В допълнение към междузвездните комети, такива компоненти включват свободно плаващи планети-сираци, охладени бели джуджета и изолирани черни дупки със звездна маса.
През следващите години се планират нови проекти за панорамно изследване на небето, включително обсерваторията Вера Рубин в Чили. Високата интензивност на светлината и скоростта на сканиране на тези инструменти ще позволят откриването на десетки междузвездни обекти годишно. Натрупването на статистически данни ще позволи точното определяне на концентрацията и размера на тези тела, което ще позволи прецизиране на барионния бюджет на Млечния път и прецизиране на търсенето на фундаментални частици тъмна материя.
Tъмната материя: Нова карта на вселената предлага улики за разбирането ѝ
