Благодаря космическому телескопу «Гайя» удалось определить скорость движения рекордного числа звезд в Млечном Пути, причем полученные данные существенно отличаются от прежних представлений. Оказалось, что масса Галактики значительно меньше, чем предполагалось ранее, и ее структура не соответствует предыдущим моделям.
Около пятидесяти лет назад астрономы зафиксировали, что окраины галактических дисков, расположенных за пределами Млечного Пути, вращаются с большей скоростью, чем это можно было бы ожидать. В нашей Солнечной системе планеты, находящиеся ближе к Солнцу, движутся быстрее, а более удаленные — медленнее, что вполне естественно, учитывая уменьшение силы притяжения, действующей на них. Однако в других галактиках наблюдается иная картина: внешние области вращаются с постоянной скоростью, как если бы их удерживала огромная, но невидимая масса (темная материя).
Это открытие произвело революцию в космологии и впоследствии оказало влияние на физику (мы подробно писали об этом ранее). Но оценить, как обстоят дела со скоростями вращения в других галактиках, оказалось намного проще, чем сделать это «у себя дома».
Сложно изучать крупный объект, находясь внутри него; например, наше положение в Галактике затрудняет наблюдение за ее другими областями из-за пыли, газа и центральной части, которая скрыта за ней — прямая проверка того, что находится за ней, крайне затруднительна. Прорыв в этой области стал возможен благодаря космическому телескопу «Гайя», который был запущен десять лет назад и функционирует в точке Лагранжа, расположенной на расстоянии полутора миллионов километров от Земли. Он способен наблюдать более миллиарда звезд, что является беспрецедентным достижением в астрономии. Однако обработка такого огромного массива данных требует значительного времени и представляет собой сложную задачу.
Поэтому только сейчас в журнале Astronomy and Astrophysics вышла статья, в представленной работе обобщены данные «Гайи» о скоростях вращения звезд в диске Млечного Пути. Она базируется на результатах предыдущих исследований и наблюдений в этой области. Авторы новой статьи построили кривые, демонстрирующие скорости вращения звезд в разных частях нашей галактики. Поскольку эти скорости обусловлены гравитационным воздействием, они позволяют определить реальную массу Млечного Пути, которая ранее была предметом споров.
Работа принесла два неожиданных открытия. Во-первых, было установлено, что края диска Млечного Пути не демонстрируют ускоренного вращения, как это наблюдается почти во всех других хорошо изученных спиральных галактиках, за исключением нашей. На удалении от 63 до 86 тысяч световых лет от центра Млечного Пути средняя скорость вращения звезд вокруг галактического центра снижается на 30 километров в секунду. Это значительное уменьшение: например, Солнце совершает оборот вокруг ядра Галактики со скоростью 230 километров в секунду. Замедление скорости вращения звезд в нашей Галактике напоминает «кеплеровское замедление», аналогичное тому, что наблюдается для внешних планет Солнечной системы. И подобное явление пока не зафиксировано в других галактиках Вселенной, схожих с нашей.
Не исключено наличие темной материи, однако, согласно расчетам, представленным в новой работе, ее количество превышает количество обычной материи в три раза. При этом, для других спиральных галактик наблюдается иное соотношение – шесть к одному, что вдвое больше.
Второй значительный сюрприз заключается в том, что масса Млечного Пути составляет приблизительно 200 миллиардов солнечных масс. Этот показатель примерно в пять раз меньше предыдущих, широко распространенных оценок (триллиона солнечных масс) и оказывается скромнее, чем масса других спиральных галактик схожего размера, которые наблюдаются астрономами. В связи с этим, оценки масс галактик-спутников Млечного Пути, таких как Большое Магелланово облако, необходимо пересматривать в сторону уменьшения, и весьма существенного.
По мнению авторов исследования, полученные ими данные указывают на то, что Млечный Путь является крайне редкой и содержащей мало вещества галактикой. Причины этого явления на данный момент остаются невыясненными.
Ученые предполагают, что отсутствие крупных слияний и поглощений других галактик после 8-10 миллиардов лет назад могло быть одной из причин уникальности нашей Галактики. В отличие от большинства спиральных галактик, которые пережили подобные события не позднее шести миллиардов лет назад, Млечный Путь практически не сливался с другими галактиками. Возможно, небольшое количество поздних слияний и ограниченное количество темной материи связаны с особенностями строения рукавов нашей галактики, которые отличаются от большинства наблюдаемых спиралей.
Гайя» применяет альтернативные подходы к определению скоростей движения галактик. В случае некорректной работы инструмента, результаты, касающиеся массы и скорости объектов в Млечном Пути, также могут быть неточными. Подобный сценарий не менее значителен, чем предыдущий, поскольку на данных «Гайи» основано множество выводов, сделанных астрономами в последние годы.
Если данные «Гайи» окажутся верными, то гипотеза модифицированной ньютоновской динамики (МОНД) будет признана несостоятельной. МОНД – это теория, которая предполагает изменение силы гравитации в зависимости от расстояния. Таким образом, она представляет собой альтернативное объяснение, противоречащее современной физической картине мира, основанной на теории относительности.
МОНД на протяжении многих лет была достаточно популярна, поскольку она позволяла объяснить слишком быстрое вращение дисков других галактик, избегая необходимости в гипотезе о темной материи, которая, как предполагалось, отвечает за это вращение. Однако, если в нашей Галактике периферические части галактического диска не демонстрируют быстрого вращения, а, наоборот, испытывают кеплеровское замедление звезд, то МОНД, по всей видимости, ошибочна: гравитация не может ослабевать с расстоянием во всех галактиках, за исключением Млечного Пути.
Другие подходы, в частности, изучение темной материи, получили значительное подтверждение в результате новых исследований. Объем темной материи в различных галактиках может варьироваться в зависимости от разных гипотез о ее свойствах. Осталось определить, какая из этих гипотез является наиболее точной: основанная на данных гравитационного телескопа LIGO или альтернативные.