Темная материя разгоняет самые массивные спиральные галактики до головокружительных скоростей

Млечный Путь, средняя спиральная галактика, вращается со скоростью 210 км/с в окрестностях нашего Солнца. Новое исследование показало, что самые массивные спиральные галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Эти «супер-спирали», самые крупные из которых весят примерно в 20 раз больше Млечного Пути, вращаются со скоростью до 570 км/с.

Супер-спирали исключительны почти во всех отношениях. Помимо того, что они намного массивнее Млечного Пути, они также ярче и крупнее по физическим размерам. Самый большой размер в 450 000 световых лет по сравнению с диаметром Млечного пути в 100 000 световых лет. На сегодняшний день известно всего около 100 супер-спиралей. Они были обнаружены как важный новый класс галактик при изучении данных SDSS, а также внегалактической Базы данных NASA/IPAC (NED).

«Супер-спирали экстремальны по многим параметрам», - говорит Патрик Огл из Научного института космического телескопа в Балтиморе. «Они побивают рекорды по скорости вращения».

Огл - первый автор статьи, опубликованной 10 октября 2019 года в Astrophysical Journal Letters. В статье представлены новые данные о скоростях вращения супер-спиралей, полученные с помощью Большого телескопа Южной Африки (SALT), крупнейшего одиночного оптического телескопа в южном полушарии. Дополнительные данные были получены с использованием 5-метрового телескопа Хейла в Паломарской обсерватории. Данные миссии WISE имели решающее значение для измерения масс галактик в звездах и скорости звездообразования.

Теория предполагает, что супер-спирали вращаются быстро, потому что они расположены в невероятно больших облаках или гало темной материи. Темная материя связывалась с вращением галактик на протяжении десятилетий. Астроном Вера Рубин стала пионером в работе над скоростью вращения галактик, показав, что спиральные галактики вращаются быстрее, чем если бы их гравитация была обусловлена ??исключительно звездами и газом. Темная материя должна влиять на вращение галактик. Ожидается, что спиральная галактика данной массы в звездах будет вращаться с определенной скоростью. Команда Огла считает, что супер-спирали значительно превышают ожидаемую скорость вращения.

Супер-спирали также находятся в крупных ореолах темной материи. Самый массивный ореол, который измерял Огл, содержит достаточно темной материи, чтобы весить как минимум в 40 триллионов раз больше Солнца. Это количество темной материи обычно содержит группу галактик, а не одну галактику.

«Похоже, что вращение галактики определяется массой гало темной материи», - объясняет Огл.

Тот факт, что супер-спирали нарушают обычную связь между массой галактики в звездах и скоростью вращения, является новым доказательством против альтернативной теории гравитации, известной как Модифицированная ньютоновская динамика (MOND). MOND предполагает, что в самых больших масштабах, таких как галактики и скопления галактик, гравитация немного сильнее, чем было предсказано Ньютоном или Эйнштейном. Это может привести к тому, что внешние области спиральной галактики будут вращаться быстрее, чем ожидалось, в зависимости от их массы в звездах. MOND разработан для воспроизведения стандартного соотношения скоростей вращения спирали, поэтому он не может объяснить супер-спирали.

Несмотря на то, что супер-спирали являются самыми массивными спиральными галактиками во Вселенной, у них меньший вес в звездах по сравнению с ожидаемым количеством темной материи, которое они содержат. Это говорит о том, что огромное количество темной материи препятствует образованию звезд. Есть две возможные причины: 1) любой дополнительный газ, который втягивается в галактику, падает вместе и нагревается, не давая ему остыть и образовать звезды, или 2) быстрое вращение галактики затрудняет коллапс газовых облаков против влияния центробежной силы.

«Впервые мы нашли спиральные галактики, великие настолько, насколько это возможно», - говорит Огл.

Несмотря на это разрушительное влияние, супер-спирали все еще способны образовывать звезды. Хотя самые крупные эллиптические галактики сформировали все или большинство своих звезд более 10 миллиардов лет назад, супер-спирали до сих пор образуют звезды. Они ежегодно преобразуют звезды на 30 масс Солнца, что нормально для галактики такого размера. Для сравнения, наш Млечный Путь образует около 1 солнечной массы звезд в год.

Огл и его команда предложили провести дополнительные наблюдения, чтобы найти ответы на ключевые вопросы о супер-спиралях, включая наблюдения, предназначенные для лучшего изучения движения газа и звезд в их дисках. После запуска в 2021 году, космический телескоп НАСА Джеймс Уебб сможет изучать супер-спирали на больших расстояниях и, соответственно, в более молодом возрасте, чтобы узнать, как они развиваются с течением времени. И миссия НАСА WFIRST может помочь найти больше супер-спиралей, которые чрезвычайно редки, благодаря большому полю обзора.