Используя эффект гравитационного линзирования, сотрудники Университета Юты показали, что центры наиболее массивных галактики становятся все плотнее, а причиной этого являются грандиозные космические столкновения, вовлекающие монстров с сотнями миллиардов звезд. «Мы обнаружили, что в ходе последних 6 миллиардов лет материя, входящая в состав наиболее тяжелых эллиптических галактик, становится все более плотной ближе к их центрам. Это является указанием на то, что такие титанические галактики сталкиваются со своими собратьями, чтобы образовать еще более грандиозные структуры, – говорит первый автор исследования Адам Болтон. – Большая часть современных исследований показывает, что такие крупные галактики растут в первую очередь благодаря поглощению множества своих меньших собратьев. Мы же утверждаем, что серьезные столкновения между равноправными крупными галактиками имеют не меньшее влияние на их роль».

Исследование было проведено в рамках третьего Слоановского обзора неба при помощи 2.5-метрового оптического телескопа обсерватории Апачи-Поинт и орбитального телескопа Хаббл. Они позволили наблюдать 78 гравитационных линз, которые создавали галактики, находящиеся на пути света от еще более далеких к нам. При этом кроме того, что далекая галактика становится для нас более яркой, на изображении появляются артефакты – кольца света, размеры которых зависят от параметров линзирующей галактики, в первую очередь, от ее массы. Если к этим сведениям добавить полученные отдельно скорости звезд в линзирующей галактике, можно определить ее структуру и плотность материи в разных ее частях.

При таком способе исследования естественно возникает ограничение на массу галактики – это наиболее массивные эллиптические гиганты, содержащие сотни миллиардов звезд. Если к этим звездам добавить темную материю, то масса такой галактики легко может превысить массу триллиона Солнц. За счет такой грандиозной массы эффект гравитационного линзирования особенно силен. «Эти галактики – результат столкновений и смешений предыдущих поколений галактик, возможно, таких столкновений были сотни», – говорит Болтон. Несмотря на то, что сейчас принято считать, что столкновения с небольшими галактиками являются основной причиной роста, Болтон не ограничился такой закуской для гигантов, предположив, что время от времени им достается основное блюдо – столкновение с аналогичным гигантом. Только этот процесс может уплотнять материю в центрах галактик. Если же с гигантом сталкивается небольшой его собрат, процесс смешения разительно отличается и не может привести к увеличению плотности материи. Малая галактика разрывается на части гравитационным полем большой еще до того, как их условных границы столкнутся. Ее звезды так и остаются на задворках гиганта, и процесс никак не затрагивает происходящее внутри. «Но если мы имеем две примерно равные галактики на пути столкновения, то они глубже проникают в центры друг друга, так что больше массы оказывается внутри галактики», – поясняет Болтон. Это не отменяет важности столкновений с малышами, тем более что для этого есть наблюдательные подтверждения – на задворках массивных галактик очень много звезд, что определяется по их яркости. Естественным звездообразованием такую яркость не объяснить, основной вклад в нее вносят украденные звезды. «Оба процесса важны для описания картины в целом, – считает Болтон. – Эволюция яркости галактик не может быть объяснена грандиозными столкновениями, так что нам нужны оба типа столкновений – несколько серьезных и множество мелких». Кроме самого факта серьезных столкновений, Болтон предлагает уточнение процесса. По его мнению, крупные сталкивающиеся галактики уже практически лишены свободного газа – весь он собрался в звезды, в результате столкновение проходит легче и быстрее.

Исследование было выполнено, фактически, за компанию с основными задачами, решаемыми в ходе проведения третьей фазы Слоановского обзора неба. Его главная цель – изучение происхождения галактик и составление карты распределения темной материи, а также определение влияния темной энергии на Вселенную. В ходе обзора было найдено множество гравитационных линз, которые и были использованы Болтоном. Из 79 изученных 57 было найдено в ходе проведения обзора. Галактики, ответственные за линзирование и найденные в ходе обзора, мы видим такими, какими они были от 1 до 3 миллиардов лет назад. Отдельно было найдено еще 22 гравитационных линзы, относящихся к более далеким временам, от 4 до 6 миллиардов лет назад.

«Более далекая галактика излучает расходящийся пучок света, но те лучи, которые проходят около галактики, расположенной ближе к нам, притягиваются ею и сходятся, образую вокруг нее кольцо света», – поясняет процесс Болтон. Чем больше материи в линзирующей галактике, тем больше кольцо. Это может показаться странным, но за счет большой массы галактика искривляет лучи света настолько, что они пересекаются в поле зрения, и чем больше искривление, тем больше кольцо, которое мы в результате видим.

Однако, стоит отметить, что наблюдения линз могут объясняться радом других теорий помимо уплотнения материи в центрах галактик. За лишнюю массу материи может быть ответственным газ, собирающийся здесь, чтобы образовать новые звезды. Однако такой вариант маловероятен, так как огромные галактики очень стары и звездообразование в них идет очень медленно. Уплотнение в центре может на самом деле объясняться ослаблением внешних областей – проход рядом с другой крупной галактикой может привести к потере множества внешних звезд, так что центр потом будет казаться особенно плотным. Свой вклад вносит метод наблюдения, при котором более молодые галактики изучаются дальше от их центров, а старые – ближе. Однако этот фактор не может полностью объяснить наблюдения.