Кожна галактика, яку ми бачимо на знімках — з яскравими зоряними рукавами й пилом — це лише верхівка набагато більшого об'єкта. Навколо видимої частини галактики розташоване гало темної матерії, невидима сфера, яка простягається у десятки разів далі за зоряний диск. Темна матерія не випромінює світла і взаємодіє з іншою речовиною практично лише через гравітацію, але саме її гравітаційний вплив і є одним із головних доказів її існування.

Гало темної матерії формується першим, а вже потім притягує до себе газ. Газ охолоджується, стискається — і з нього народжуються зорі. Так з'являється звична нам галактика. Але що станеться, якщо гало виявиться недостатньо масивним? У такому разі воно не зможе ефективно охолодити захоплений газ, і зорі просто не сформуються. Теорія галактикоутворення передбачає, що замість галактики в такому маломасивному гало може залишитися хмара нейтрального водню — так званий RELHIC (reionization-limited HI cloud). Це "невдала галактика", яку іноді також називають оптично темною галактикою.

Полювання на невидиме

Оскільки в RELHIC немає зірок, побачити його звичайним оптичним телескопом неможливо. Єдиний спосіб — радіоспостереження, бо нейтральний водень випромінює на характерній хвилі 21 см: чим яскравіше це випромінювання, тим більше водню в хмарі. До появи роботи, про яку йдеться, найпереконливішим кандидатом на роль RELHIC залишалася хмара Cloud-9, знайдена у 2023 році. Кандидатів дуже мало, тож знахідка одразу двох нових об'єктів — подія значуща.

Нові кандидати виявив китайський радіотелескоп FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) — той самий, що свого часу знайшов Cloud-9. Спостереження велися в околицях галактики M51, більш відомої як Вихор (Whirlpool galaxy). У даних FAST дослідники побачили шість невеликих хмар водню, окремих від великого газового гало самої M51.

Три критерії та дві хмари-переможці

Щоб перевірити, чи справді ці хмари є RELHIC, а не, наприклад, фрагментами газу, віддертими гравітацією від M51, автори застосували три критерії, що випливають із теоретичних моделей:

— відсутність видимого зоряного населення (це базова умова визначення RELHIC);
— компактна й правильна форма (витягнута чи хаотична форма радше вказує на насильне відривання газу від диска M51);
— невеликий розкид швидкостей газу всередині хмари (велика різниця швидкостей у різних частинах хмари теж свідчила б про те, що рух "успадкований" від процесу зривання газу).

Дослідники шукали видимих супутників зірок у знімках огляду DESI Legacy Imaging Survey, відкидали витягнуті хмари за розподілом водню з даних FAST і вимірювали розкид швидкостей через ширину лінії 21 см (так зване допплерівське розширення). З шести кандидатів лише дві хмари, названі Cloud N і Cloud S, задовольнили всі три вимоги.

Що показало порівняння з моделями

Далі автори порівняли спостережувані профілі густоти водню (як густина газу змінюється залежно від відстані до центру хмари) Cloud N і Cloud S із теоретичними профілями RELHIC. Профілі узгодилися добре. З найкращої моделі вдалося оцінити масу гало темної матерії для обох хмар — близько 3,7 мільярда мас Сонця. Загальна маса водню в обох клубках теж відповідала передбаченням моделі RELHIC.

Що може все зіпсувати

Попри збіг, автори чесно перелічують кілька факторів, що поки не дозволяють впевнено назвати Cloud N і Cloud S справжніми RELHIC.

По-перше, газ у Cloud N має досить упорядковану структуру швидкостей, що нагадує обертання — а це нетипово для гіпотетичного RELHIC. Однак порівняння з популяцією темних галактик у симуляціях показало, що Cloud N не є явним винятком із загальної картини.

По-друге, роздільна здатність спостережень FAST недостатня, щоб розгледіти детальну форму хмар. Тому наразі неможливо остаточно стверджувати, що форма Cloud N і Cloud S справді регулярна — а не витягнута чи хаотична, як у газу, зірваного з M51.

По-третє, оптичні знімки, використані в дослідженні, могли просто не вловити дуже слабке зоряне населення в цих хмарах. Присутність кількох дуже тьмяних зірок не суперечила б висновкам роботи, але й не була б помітна в наявних даних.

Що далі

Автори пропонують продовжити дослідження за допомогою радіотелескопа VLA (Very Large Array), який дасть вищу роздільну здатність і дозволить точніше визначити форму хмар. Паралельно спостереження космічним телескопом Hubble могли би виявити навіть найслабше зоряне населення, якщо воно там є. Наразі Cloud N і Cloud S залишаються лише кандидатами на роль RELHIC — двійниками одна одної, знайденими поруч із галактикою M51. Але якщо їхній статус підтвердиться, це стане ще одним прямим підтвердженням того, що маломасивні гало темної матерії справді можуть залишатися "порожніми" — без жодної зорі всередині.