Новое исследование бросает вызов теории темной материи в формировании галактик

Протогалактики, видимые космическим телескопом Джеймса Уэбба. Автор: NASA

Стандартная модель формирования галактик в ранней Вселенной предсказывала, что космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) увидит слабые сигналы от небольших примитивных галактик. Но данные не подтверждают популярную гипотезу о том, что невидимая темная материя помогла самым ранним звездам и галактикам объединиться.

Вместо этого самые старые галактики большие и яркие, что согласуется с альтернативной теорией гравитации, согласно новому исследованию Университета Кейс Вестерн Резерв, опубликованному 12 ноября в The Astrophysical Journal. Результаты бросают вызов пониманию астрономами ранней Вселенной.

«То, что предсказывает теория темной материи, отличается от того, что мы видим», — заявила астрофизик из Case Western Reserve Стейси Макгоу, в статье которой описывается формирование структур в ранней Вселенной.

Макгоу, профессор и директор астрономии в Case Western Reserve, сказал, что вместо темной материи могла играть роль модифицированная гравитация. Он говорит, что теория, известная как MOND (Modified Newtonian Dynamics), предсказала в 1998 году, что формирование структур в ранней Вселенной должно было произойти очень быстро — гораздо быстрее, чем предсказывала теория холодной темной материи, известная как лямбда-CDM.

JWST был разработан, чтобы ответить на некоторые из самых больших вопросов во Вселенной, например, как и когда образовались звезды и галактики? До его запуска в 2021 году ни один телескоп не мог заглянуть так глубоко во Вселенную и так далеко назад во времени.

Lambda-CDM предсказывает, что галактики образовались путем постепенной аккреции материи от малых структур к более крупным из-за дополнительной гравитации, создаваемой массой темной материи.

«Астрономы изобрели темную материю, чтобы объяснить, как из очень однородной ранней Вселенной возникают большие галактики с большим количеством пустого пространства между ними, которые мы видим сегодня», — сказал Макгоу.

Маленькие части собирались во все более крупные структуры, пока не образовались галактики. JWST должен был увидеть эти маленькие предшественники галактик как тусклый свет.

«Ожидалось, что каждая большая галактика, которую мы видим в близлежащей Вселенной, началась с этих крошечных кусочков», — сказал он.

Но даже при всё большем и большем красном смещении — если смотреть на всё более ранние этапы эволюции Вселенной — сигналы оказываются больше и ярче, чем ожидалось.

MOND предсказал, что масса, которая становится галактикой, быстро собирается и изначально расширяется наружу вместе с остальной частью Вселенной. Более сильная сила гравитации замедляет, а затем обращает вспять расширение, и материал коллапсирует сам на себя, образуя галактику. В этой теории темной материи вообще нет.

Макгоу сказал, что большие и яркие структуры, которые JWST видел на очень ранних этапах развития Вселенной, были предсказаны MOND более четверти века назад. Он был соавтором статьи вместе с бывшим научным сотрудником Case Western Reserve Федерико Лелли, ныне работающим в INAF — Arcetri Astrophysical Observatory в Италии, и бывшим аспирантом Джеем Франком. Четвертым соавтором является Джеймс Шомберт из Университета Орегона.

«В конечном итоге, „я же говорил“», — сказал Макгоу. «Меня воспитали так, что я считал, что говорить так — грубо, но в этом и заключается весь смысл научного метода: делать прогнозы, а затем проверять, какие из них сбываются». Он добавил, что найти теорию, совместимую как с MOND, так и с общей теорией относительности, по-прежнему остается большой проблемой.

Больше информации: Stacy S. McGaugh et al, Accelerated Structure Formation: the Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies, The Astrophysical Journal (2024). On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.17930

Источник: Case Western Reserve University