Распределение тёмной материи в галактиках не согласуется с NFW-моделью

Карликовая галактика в созвездии Печь

Астрофизики Мэтью Уокер (Matthew Walker) и Хорхе Пеньяррубиа (Jorge Peñarrubia) из Кембриджского университета предложили новый метод оценки распределения тёмной материи в галактиках и опробовали его на двух спутниках Млечного Пути.

Обычно при описании тёмного гало галактик используется распределение Наварро—Френка—Уайта (NFW) — зависимость плотности тёмной материи от радиуса, выведенная теоретическим путём в 1995 году. Как и многие ей подобные, зависимость NFW предсказывает, что внутренняя область гало должна иметь выраженный пик плотности. Такую особенность модели удобно использовать для тестирования последней, однако астрономам, вынужденным исследовать обычную барионную материю и лишь затем делать какие-то выводы о невидимой тёмной, долгое время не удавалось собрать экспериментальные данные нужного качества.

Решить эту задачу помогли наблюдения сателлитов Млечного Пути, карликовых сфероидальных галактик. Они имеют небольшие размеры (~10^2–3 пк), малые барионные массы и чрезвычайно высокие плотности тёмной материи. Кроме того, эти галактики, естественно, находятся рядом с нашей.

В своём исследовании г-да Уокер и Пеньяррубиа использовали опубликованные в 2008-м спектроскопические данные по двум карликовым сфероидальным галактикам в созвездиях Печи и Скульптора, полученные с помощью спектрографа MIKE на 6,5-метровом телескопе чилийской обсерватории Лас-Кампанас. Наблюдения галактик в Печи и Скульпторе, удалённых на 138 ± 8 и 79 ± 4 кпк от нас, продолжались пять лет, и за это время астрономы успели изучить около полутора тысяч из двух с половиной тысяч звёзд.

Разработанная авторами методика расчёта довольно проста и основывается на том, что некоторые карликовые сфероидальные галактики содержат две звёздные популяции, имеющие характерные свойства — химические (высокую или низкую металличность) и динамические. Для каждой из этих групп можно определить дисперсию скоростей (величину, показывающую, насколько сильно скорости светил отклоняются от средней скорости группы) и радиус круга, в пределах которого излучается половина общей светимости. В сферически симметричной карликовой галактике упомянутых величин достаточно для того, чтобы оценить массу, заключённую в «круге половины светимости». В случае двух звёздных популяций можно получить две таких оценки, а это уже позволяет вычислить наклон профиля массы тёмной материи, то есть описать её распределение.

Результаты проведённых астрофизиками расчётов свидетельствуют в пользу того, что тёмные гало карликовых сфероидальных галактик в Печи и Скульпторе имеют «ядра» размером в несколько сотен парсеков, в границах которых плотность тёмной материи остаётся практически постоянной. Хотя это наблюдение не согласуется с предсказанием модели NFW, отказываться от неё пока никто не собирается, поскольку объём противоречащей ей экспериментальной информации невелик.

По материалам: Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики

Нашу точку зрения на распределение темной материи можно увидеть здесь в разделе 8.Проблема темной материи