Анализ и расчеты демонстрируют, что распределение плотности звезд и темной материи в галактиках имеет схожие характеристики. Эта удивительная похожесть вызвала у исследователей вопросы, и даже породила шуточную «теорию заговора балджа и гало». Различия в структуре галактик, имеющих разные значения красного смещения, оказываются незначительными, что создает впечатление, будто барионное вещество и темная материя как-то координируют свое распределение. В конечном итоге, астрономам удалось это опровергнуть.
С тех пор, как ученые осознали, что вращение внешних областей галактик нельзя объяснить только гравитационным воздействием звезд, темная материя стала необходимым компонентом их структуры. Это породило новые вопросы: какое влияние оказывает темная материя на распределение массы в галактиках? На каком удалении от центра она становится преобладающей? Каким образом она взаимодействует со звёздами?
Изучая взаимодействие темной материи и обычного вещества, из которого состоят звезды, астрономы выяснили, что в различных галактиках, обладающих разными свойствами, распределение плотности материи от центра к периферии уменьшается с одинаковой «скоростью».
В соответствии с теоретическими расчетами, различия в распределении звезд и темной материи должны были привести к большему разнообразию показателей скорости, а не к их унификации. Именно это послужило причиной возникновения «теории заговора балджа и гало» скоплений галактик, демонстрирующих необычные совпадения в распределении массы. Физически объяснить данную аномалию не представлялось возможным.
«Это сходство указывало на то, что темная материя и звезды каким-то образом уравновешивают друг друга, формируя структуры, близкие по массе», — объяснила Каро Деркен (Caro Derkenne) ведущий исследователь из Университета Маккуори (Австралия), являющийся главным автором свежего исследования.
По мнению международной группы ученых, такая заметная однородность может быть связана не со структурой галактик, а с особенностями компьютерного моделирования, сделанными предположениями о взаимосвязях параметров и упрощенными вычислениями.
В ходе нового исследования ученые создали модели, имитирующие 22 массивных галактик. Эти объекты находятся на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от нашей галактики Млечный Путь (их красное смещение составляет приблизительно 0,3). На таком удалении от нас они уже демонстрируют отличия от современных галактик, однако остаются достаточно большими, чтобы можно было наблюдать их строение.
В представленную подборку преимущественно вошли линзовидные галактики, и лишь у четырех из них были выявлены признаки спиральных рукавов. Для проведения исследований ученые использовали данные, полученные в рамках обзора MAGPI, целью которого является изучение массивных галактик, существовавших в «средневековый» период развития Вселенной.
Использование динамических орбитальных моделей Шварцшильда стало первым опытом применения такого подхода для изучения галактик, расположенных на столь большом расстоянии. Благодаря этому авторы недавнего исследования смогли визуализировать общую трехмерную структуру этих объектов, проанализировать их внутреннее строение, орбитальную организацию и распределение темной материи.
Благодаря этому появилась возможность непосредственно, без использования догадок и приблизительных вычислений, исследовать распределение звезд и темной материи. Полученные результаты опубликованы в журнале Місячні повідомлення Королівського астрономічного товариства .
В ходе детального моделирования обнаружилось, что распределение масс в галактиках перестает быть равномерным. Внутреннее строение различается не только у разных галактик, но и внутри одной галактики. Таким образом, не существует какого-либо «сговора» между звёздами и темной материей.
«Ранее нами создавались упрощенные модели, основанные на излишних упрощениях и допущениях. Галактики обладают сложной структурой. При их моделировании необходимо предоставлять больше возможностей, иначе мы получим некорректные результаты. Для расчетов мы использовали суперкомпьютер OzStar, расположенный в Технологическом университете Суинберна (Австралия), что эквивалентно восьми тысячам часов работы обычного персонального компьютера», — объяснила Деркен.
Авторы исследования отмечают, что в базе данных MAGPI содержится еще несколько десятков объектов, для которых качество информации позволяет выполнить подобное моделирование. Дальнейшее развитие наземных и космических телескопов, включая «Джеймса Уэбба» и E-ELT, позволит получить необходимые данные для моделирования и для более удаленных галактик.