Почему у самых маленьких галактик больше всего темной материи?

Итан Зигель,

Forbes, 25 марта 2016 года 

Статья переведена и публикуется с любезного разрешения автора.

Image credit: The Millenium Simulation, V. Springel и др., - 
о космической паутине темной материи и крупномасштабной структуре Вселенной, которую она формирует.

Если смотреть на Вселенную в разных направлениях и разными методами, можно увидеть, что отношение количества темной матери к обычной везде одно и то же - 5 к 1. Смотрим ли мы на флуктуации микроволнового излучения фона, на коэффициенты преломления гравитационных линз - скоплений галактик, на то, как галактики кучкуются вместе в большие комки материи или на свойства вращения самых больших спиральных и эллиптических галактик, картина все та же - темной материи в 5 раз больше обычной. 

Images credit: X-ray: NASA/ CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al. (вверху слева); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (вверху справа); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (внизу слева); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (внизу справа). Эти четыре отдельные группы или скопления галактик показывают разделение темной (синим) и обычной материи (пурпурным).

И так везде во Вселенной - пока вы не начнете смотреть на очень маленькие галактики. Для всех галактик от гигантов вплоть до размеров Млечного Пути, который представляет собой подавляющее большинство известных нам галактик, отношение 5 к 1 остается постоянным. Но если сместиться к очень маленьким галактикам - таким, которые мы видим только в Местной Группе (вследствие их очень низкой светимости), то получится, что чем меньше их масса, тем больше соотношение темной и обычной материи!

Image credit: ESA/Hubble NASA, of dwarf galaxy NGC 5477.

Иными словами - чем меньше галактика, тем меньше в ней процент нормальной материи по отношению к темной! Парадокс, поскольку гравитация влияет на темную и нормальную материю одинаково - начинаете ли вы с небольшой области, которая потом меняет масштаб на  маленькую, а потом - на большую галактику, а затем даже на сверхмассивное скопление - все они притягивают нормальную и темную материю одинаково.

Но если немного подумать, и рассмотреть следующие два изображения, начинает проявляться смысл в том, что темная материя доминирует в маленьких галактиках. Так бывает не из-за того, что маленькие галактики начинают расти с большим изначальным количеством темной материи, у них сохраняется такое же отношение 5 к 1. Но вследствие небольшой массы они не в состоянии удерживать у себя достаточное количество материи, и к сожалению, нормальная материя здесь в проигрыше, поскольку взаимодействует и со светом и с другой нормальной материей, что увеличивает ее шансы на то, чтобы покинуть галактику.

Image credit: NASA, ESA, The Hubble Heritage Team, (STScI / AURA); acknowledgement: M. Mountain (STScI), P. Puxley (NSF), J. Gallagher (U. Wisconsin), галактика Messier 82, чья материя выбрасывается наружу как красные джеты.

Когда практически одновременно рождается множество звезд, они начинают светить интенсивным ультрафиолетовым излучением. Когда из этого поколения начнут умирать массивные звезды, их сверхновые ионизуют материю и разгонят ее почти до релятивистских скоростей. А когда материя падает на черную дыру, часть ее выбрасывается в межгалактическу среду в виде реактивных струй. Эти факторы характерны для всех галактик, но касаются только нормальной материи. Вследствие того, что темная материя прозрачна для всех видов электромагнитного излучения, во время рождения звезд, их смерти или в черных дырах выбрасывается только нормальная материя - все это совершенно не трогает темную, которая и остается в маленьких галактиках в большом количестве.

Image credit: NASA, ESA Acknowledgements: Ming Sun (UAH), and Serge Meunier, 
спиральная галактика ESO 137-001 теряет нормальную материю, прорываясь через внутрикластерную среду.

Эта разница еще больше усугубляется, когда галактика находится внутри скопления, где межгалактическая среда плотна и полна материи, и когда галактика летит через нее на большой скорости. Так же, как сильный ветер срывает пушинки одуванчика, внутрикластерная среда срывает оболочку маленькой галактики, оставляя ей только темную материю.

Image credit: Roberto Mura, 
карлик NGC 147 с доминированием темной материи.

Примите во внимание все вышеизложенное, и вы вдруг поймете, что чем меньше ваша галактика, тем больше в ней соотношение темной и нормальной материи.  Для самых маленьких галактик Вселенной вполне нормально соотношение 1000 к 1, но когда вы переходите к галактикам размером с Млечный Путь, соотношение становится 5 к 1, и сохраняется таким во всей Вселенной. 

Все в этом мире рождается с одинаковым соотношением темной и нормальной материи, но сохранить нормальную материю с собой в течение долгого периода под силу только настоящим победителям!