Cloud-9: сверхглубокая съёмка не нашла звёзд в «тёмной галактике»

Cloud-9 — компактное облако нейтрального атомарного водорода (H I) в окрестностях спиральной галактики Мессье 94 (M94). Оно может оказаться редчайшим примером почти беззвёздной «тёмной галактики»: газа, удерживаемого гало тёмной материи, но практически не породившего звёзд. Сейчас Cloud-9 считают наиболее убедительным кандидатом в RELHIC — облако нейтрального водорода, чья эволюция была ограничена эпохой реионизации. Но это всё ещё научная интерпретация, а не окончательно доказанный статус. 23

Самые глубокие изображения — и по-прежнему пустота

Группа под руководством Игнасио Трухильо наблюдала объект камерой HiPERCAM на Большом Канарском телескопе (Gran Telescopio Canarias, GTC). Чувствительность достигла пределов поверхностной яркости 31,4 звёздной величины на квадратную угловую секунду в фильтре g и 31,0 в r. Это примерно в десять раз глубже предыдущих глубоких изображений участка неба.

В центральном поле размером 1′ × 1′, что на расстоянии Cloud-9 соответствует примерно 1,3 × 1,3 кпк, или около 4 200 × 4 200 световых лет, исследователи не нашли никакого диффузного свечения звёзд. 1

Если в этой зоне всё же присутствует наиболее трудная для обнаружения популяция — старые звёзды с низким содержанием тяжёлых элементов, — то её поверхностная плотность не превышает около 0,01 массы Солнца на квадратный парсек, а суммарная звёздная масса составляет менее 16 000 масс Солнца. Это ограничение получено по интегральному свету и независимо согласуется с более ранним поиском отдельных звёзд телескопом «Хаббл». 12

Почему объект считают возможной «неудавшейся галактикой»

Радионаблюдения показывают, что Cloud-9 компактно, динамически холодно и, по имеющимся данным, не вращается. В нём содержится около 1 млн масс Солнца нейтрального водорода. 2

Модели, применяемые для его интерпретации, дают массу гало порядка 5 млрд масс Солнца. При сравнении именно этой величины с массой нейтрального водорода часто приводят соотношение около 5 000:1. Важно: это не стандартное отношение тёмной материи ко всему обычному веществу — в последнем учитывались бы также гелий и ионизированный газ.

«Узкое окно» после реионизации

В космологических моделях ΛCDM ранняя реионизация нагрела межгалактический газ и не позволила ему осесть в самых маломассивных гало. В несколько более массивных гало газ должен был бы достаточно эффективно остывать, чтобы запускать звездообразование. В существенно менее массивных — газ, напротив, не удержался бы вовсе.

Cloud-9, по этой гипотезе, находится в редком промежуточном режиме: его гало достаточно массивно, чтобы удержать H I, но недостаточно благоприятно для формирования заметной звёздной популяции. Именно такой «узкий коридор» предсказывают модели RELHIC. 23

Что это меняет — и чего пока не доказывает

Если природа Cloud-9 будет подтверждена, объект станет важной наблюдательной проверкой предсказаний ΛCDM о многочисленных маломассивных гало тёмной материи. Однако слово «беззвёздный» здесь следует понимать аккуратно: оно означает, что звёзды не обнаружены при исключительно строгих нынешних пределах чувствительности, а не то, что их существование доказанно исключено. Оценка массы гало также зависит от модели. 12

В истории объекта уже сыграл роль обзор DESI Imaging Legacy Survey: он не обнаружил оптического аналога Cloud-9 до предела около 29,15 звёздной величины на квадратную угловую секунду. Будущие широкопольные обзоры нейтрального водорода и глубокая оптическая съёмка помогут найти другие компактные, изолированные, крайне бедные металлами или беззвёздные кандидаты — и понять, уникальна ли Cloud-9 или представляет целую популяцию. 3