Используя компьютерное моделирование, астрономы определили характеристики самой слабой галактики — спутника Млечного Пути, впервые описанной в 2023 году. Полученные данные указывают на то, что она находится в области скопления темной материи, масса которой в миллиард раз превышает массу самой галактики. В противном случае, приливное воздействие Млечного Пути разрушило бы ее, и она не смогла бы совершить даже один оборот вокруг Галактики.
Наша галактика Млечный Путь окружена большим количеством небольших звездных скоплений. Шаровые скопления представляют собой, как правило, плотные и хорошо заметные звездные системы. Карликовые галактики — это гораздо менее плотные скопления, которые могут обладать широким спектром разнообразных характеристик. Для их дифференциации астрономы используют принципы физики.
Законы Ньютона и взаимодействие, затрагивающее исключительно обычную материю, способны объяснить динамику шаровых скоплений. В то время как собственные гравитационные силы удерживают звезды в шаровых скоплениях, для существования карликовых галактик в рамках стандартной космологической модели требуется наличие темной материи.
При определении массы тусклой карликовой галактики по скорости движения ее компонентов, полученное значение может оказаться в несколько раз больше, чем при расчете на основе ее светимости, то есть путем суммирования масс звезд. Эта разница указывает на наличие недостающей массы, которая, скорее всего, обусловлена темной материей. В связи с этим ученые проявляют повышенный интерес к изучению подобных спутников Млечного Пути. Фактически, они представляют собой небольшие «лаборатории», предназначенные для исследования свойств темной материи. И вот в 2023 году астрономы открыли самый тусклый спутник Галактики.
Звездное скопление Ursa Major III/UNIONS 1 (UMa3/U1) включает около 60 звезд с общей массой от 11 до 22 солнечных масс. Эти звезды очень старые, их возраст превышает 11 миллиардов лет, и они характеризуются низким содержанием металлов. Диаметр скопления составляет приблизительно 10 световых лет (3 ± 1 парсек).
Имея такие параметры, UMa3/U1 по своим размерам схожа с шаровыми скоплениями, однако на 10 магнитуд слабее самых слабых из них. Кроме того, она в 10 раз слабее и в пять раз меньше Драко II, самой тусклой из известных карликовых галактик, являющейся спутником Млечного Пути.
Чтобы убедиться в том, что UMa3/U1 представляет собой карликовую галактику, исследователи прибегли к компьютерному моделированию. Предположив, что это шаровое скопление, удерживающееся собственной гравитацией, они «запустили» его вокруг Млечного Пути. Оказалось, настолько разреженное скопление выдержало бы максимум один полный оборот. Слишком уж близко к Галактике летает UMa3/U1.
Авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, согласно расчетам, для поддержания формы UMa3/U1 необходима гало из плотной темной материи массой около миллиарда солнечных масс, что соответствует модели холодной темной материи ΛCDM. Однако, важно отметить, что такое сравнение результатов моделирования и фактических параметров UMa3/U1 основывается на данных наблюдений, имеющих ограниченную точность (в части дисперсии скоростей звезд).
Рассматривались также альтернативные модели. Согласно условиям UMa3/U1, масса ультралегких частиц, составляющих нечеткую темную материю (FDM), превышает теоретические расчеты в разы. Следовательно, подтверждение наблюдений за UMa3/U1 потребует пересмотра модели FDM.
Наблюдаемая плотность темной материи в центре UMa3/U1 не соответствует модели самодействующейся темной материи (SIDM). Согласно этой гипотезе, частицы темной материи взаимодействуют между собой, и столкновения не позволяют им формировать такую высокую концентрацию в центре UMa3/U1.
Несмотря на то, что данный аспект не был учтен авторами исследования, стоит отметить, что теория Николая Горькавого достаточно легко сочетается с наблюдениями в гало крупных галактик объектов с очень большой долей темной материи. Согласно ей темная материя состоит из реликтовых (доставшихся из прошлого цикла развития Вселенной) черных дыр массой в несколько солнечных. Такие объекты сосредоточены только в гало галактик, причем не равномерно, как темная материя в остальных моделях, а в формате компактных шаровых скоплений, обнаружены структуры, напоминающие звездные шаровые скопления, однако практически не содержащие обычной материи. Это значительно затрудняет их обнаружение методом микролинзирования, несмотря на то, что они обладают достаточной массой для обеспечения гравитационной стабильности объектов типа UMa3/U1 в течение длительного периода.
«Будущие наблюдения, независимо от того, подтвердят они или опровергнут [нашу гипотезу] о большом количестве материи в этой системе, вселяют в нас надежду на то, что этот объект может оказаться лишь частью большей структуры и первым представителем нового класса крайне слабых звездных систем, которые до этого момента оставались незамеченными», — объяснил Уилл Церны, один из разработчиков, представивший первое описание UMa3/U1.
Объекты, подобные UMa3/U1, представляют интерес не только для изучения темной материи. Их чрезвычайная тусклость и низкое содержание металлов позволяют, благодаря «химически чистым» условиям, с высокой точностью определять соотношение химических элементов, образовавшихся в результате взрывов сверхновых первых поколений звезд после Большого взрыва.