Астрономи виявили ще одну галактику, швидкість обертання якої пояснюється наявністю однієї тільки баріонної речовини. Вимірені швидкості узгоджуються з наявністю невеликої кількості темної матерії, але вона не вкладається в жодну космологічну модель формування галактик. Препринт статті викладено на arXiv.org, робота прийнята до публікації в.
Припущення про існування темної матерії у Всесвіті було зроблено в 1930-ті роки американським астрофізиком Фріцем Цвіккі для пояснення розбіжності між виміряною ним швидкістю руху галактик в скупченні Волоси Вероніки і тією швидкістю, яку можна було очікувати виходячи з спостережуваної в телескоп сумарної маси речовини в скупченні. Присутність у ньому достатньої кількості невідомої раніше матерії, яка і була названа темною матерією, могла пояснити занадто високу виміряну швидкість галактик. Ця гіпотеза була підтверджена в 1970-ті роки спостереженнями астронома Віри Рубін, яка виміряла швидкості обертання зірок, що знаходяться на периферії галактики Андромеди, і виявила, що вони близькі до швидкостей зірок поблизу центру, що знову ж таки було несумісне з спостережуваною масою речовини в галактиці. Як і у випадку зі спостереженнями Цвіккі, проблема вирішувалася наявністю великої кількості невидимої матерії, причому її маса повинна була в десятки разів перевищувати масу баріонної речовини. Існування темної матерії підтверджується також особливостями неоднорідності космічного мікрохвильового фону і тим, що без цієї субстанції галактики і їхні кластери не встигли б сформуватися за час життя Всесвіту.
Враховуючи важливу роль, яку темна матерія відіграє при поясненні динаміки галактик і їх скупчень, відкриття (1, 2) галактик, що не містять цього типу речовини, стало для вчених несподіванкою. Виявлені галактики належать до типу ультрадифузних карликових галактик, з щільністю речовини і світністю в сотні і тисячі разів менше, ніж у Чумацького Шляху. Пізніше, однак, аномальність цих галактик була поставлена під сумнів: виявилося, що до однієї з них астрономи неправильно виміряли відстань, що призвело до неправильної оцінки мас різних типів речовини в ній, а з другої темна матерія могла бути витягнута сусідньою масивною галактикою. Здавалося б, ці коригування вирішили проблему існування галактик без темної матерії.
Однак у 2021 році Павло Мансера Пінья (Pavel E. Mancera Pi^ a) з Гронінгенського університету та інституту ASTRON і його колеги з Великобританії, Нідерландів і США виявили галактику AGC 114905, в якій також немає або майже немає темної матерії. Ця галактика розташована на відстані 76-5 мегапарсек від Землі і являє собою диск, в якому щільність зірок загасає як e-r/R при віддаленні від центру на відстань r, а характерний масштаб відстаней R дорівнює 1,79-0,04 кілопарсека. Маса галактики дорівнює (1,4 - 0,3) 109 мас Сонця. Сумарний час спостереження за галактикою за допомогою телескопа VLA становив 40 годин у період з липня по жовтень 2020 року. Як і попередні два кандидати в галактики без темної матерії, ультрадифузна карликова галактика AGC 114905 багата на газ.
Дослідники виміряли швидкості обертання речовини в галактиці, і виявилося, що для їх пояснення не потрібно ніякої темної матерії - вистачає і звичайної баріонної речовини, зосередженої в зірках і міжзоряному газі. Якщо темна матерія в галактиці і є, то її не в десятки разів більше, ніж баріонної, як у більшості галактик (або хоча б у 5, як у Всесвіті в середньому), а приблизно в шість разів менше, що ніяк не вкладається в сучасні космологічні моделі формування галактик.
Вчені вважають, що тривале і ретельне спостереження за галактикою AGC 114905, яке вони вели, виключає можливість істотної помилки у визначенні відстані до неї - а саме це стало причиною помилкового висновку про відсутність темної матерії в одному з попередніх випадків. Також в околицях AGC 114905 немає і досить масивного компаньйона, який міг би витягнути з неї темну матерію. Ще одна потенційна роздільна здатність загадки з незвично малою масою темної матерії в галактиці - це дуже великий розмір гало при дуже малій його щільності, але це, як і вже згадана низька щільність сама по собі, не вкладається в сучасне розуміння процесу освіти галактик. Для перевірки цієї гіпотези необхідно виміряти швидкості руху речовини в галактиці на більшій відстані від центру, але дослідники вважають це рішення вкрай малоймовірним.
Іноді для пояснення відсутності спостережень частинок темної матерії в лабораторних експериментах використовується гіпотеза, яка стверджує, що темної матерії не існує, а суперечність спостережуваної швидкості руху речовини в галактиках і передбачень теорії пояснюється тим, що теорію гравітації необхідно модифікувати на галактичних масштабах. Ця теорія називається модифікована ньютонівська динаміка (MOND). Однак передбачення цієї теорії теж сильно розходяться зі спостереженнями за AGC 114905.
Дослідники називають основним можливим джерелом помилки неправильну оцінку кута нахилу галактики, але вказують на те, що для узгодження даних спостережень за AGC 114905 з існуючим розумінням космології ця помилка повинна бути неправдоподібно велика. Тим більше, що останнім часом з'явилися ще п'ять кандидатів в галактики без темної матерії, які мають різний нахил по відношенню до лінії спостереження за ними з Землі. Вчені вважають, що для підтвердження відсутності темної матерії в деяких карликових ультрадифузних галактиках потрібні подальші астрономічні спостереження.
Детально про відкриття темної матерії, її властивості і способи виявлення можна прочитати в нашому матеріалі «Невидимий цемент Всесвіту».