Используя мощности космического телескопа “Хаббл” и новые методы наблюдений, астрономы обнаружили, что тёмная материя может группироваться в гораздо меньшие сгустки, чем было известно ранее. Этот результат подтверждает одно из фундаментальных предсказаний широко распространённой теории “холодной тёмной материи”.
Все галактики, согласно этой теории, формируются и встраиваются в облака тёмной материи. Сама тёмная материя состоит из медленно движущихся, или “холодных”, частиц, которые собираются вместе, образуя структуры, масса которых варьируется от сотен тысяч масс галактики Млечный Путь до сгустков, сопоставимых с весом коммерческого самолета. В данном контексте слово “холод” относится к скорости движения частиц.
Наблюдения “Хаббла” позволяют по-новому взглянуть на природу тёмной материи и её поведение.
“Мы провели очень убедительный наблюдательный тест для оценки модели холодной тёмной материи, и она прошла испытания с блестящими результатами”, – Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), член группы наблюдения.
Тёмная материя – это невидимая форма материи, которая составляет основную массу вселенной и является своеобразными строительными лесами, на основе которых формируются галактики. Хотя астрономы не могут видеть тёмную материю, они могут обнаружить её присутствие косвенно, измеряя то, как её гравитация влияет на звёзды и галактики. А обнаружение мельчайших образований тёмной материи путем поиска включённых в неё звёзд может быть трудным или невозможным, поскольку таких звёзд, на самом деле, очень мало.
Гравитационно линзированные квазары. Источник: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)
Именно поэтому, когда концентрации тёмной материи были обнаружены вокруг больших и средних галактик, гораздо меньшие сгустки тёмной материи ещё выявлены не были. В отсутствие наблюдательных данных о таких небольших скоплениях некоторые исследователи разработали альтернативные теории, включая “тёплую темную материю”.
Эта идея предполагает, что частицы тёмной материи активно двигаются, проносясь слишком быстро, чтобы слиться друг с другом и образовать меньшие концентрации. Новые наблюдения не подтверждают этот сценарий, выявив, что тёмная материя даже ещё “холоднее”, чем она должна была бы быть в альтернативной теории тёплой темной материи.
“Тёмная материя холоднее в меньших масштабах. Астрономы и раньше проводили другие наблюдательные исследования теорий о тёмной материи, но разработанная нами пока даёт самые убедительные доказательства присутствия небольших сгустков холодной тёмной материи. Объединив последние теоретические предсказания, статистические методы и новые наблюдения “Хаббла”, мы теперь имеем гораздо более надёжный результат, чем это было возможно ранее”, – Анна Ниренберг из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния, руководитель исследования.
Охота за скоплениями тёмной материи, не окружающих звёзд, оказалась сложной задачей. Однако исследовательская группа использовала методику, в которой ей не нужно было оценивать гравитационное влияние звёзд в качестве индикаторов тёмной материи. Команда нацелилась на восемь мощных и далёких космических “фонарей”, называемых квазарами – области вокруг активных чёрных дыр, которые испускают огромное количество света. Астрономы измерили то, как свет, испускаемый кислородом и неоном, вращающимися вокруг каждой из чёрных дыр квазаров, искажается гравитацией массивной галактики переднего плана, которая действует как увеличительная линза.
Используя этот метод, команда обнаружила скопления тёмной материи вдоль линии взгляда телескопа на квазары, а также внутри и вокруг промежуточных линзирующих галактик. Концентрация тёмной материи, обнаруженная “Хабблом”, составляет от 1/10 000 до 1/100 000 частей массы гало тёмной материи Млечного Пути. Многие из этих крошечных скоплений, скорее всего, не содержат даже маленьких галактик, и поэтому их невозможно было бы обнаружить традиционным методом поиска с помощью звёзд.
Восемь квазаров и промежуточных галактик были выровнены настолько точно, что эффект искривления, называемый гравитационным линзированием, создал четыре искажённых изображения каждого квазара. Такие четырёхкратные изображения квазаров очень редки именно из-за необходимости почти точного выравнивания между галактикой переднего плана и фоновым квазаром. Однако для проведения более детального анализа исследователям потребовалось несколько одинаковых изображений.
Присутствие сгустков тёмной материи изменяет видимую яркость и положение каждого искажённого изображения квазара. Астрономы сравнили эти измерения с предсказаниями того, как будут выглядеть изображения квазаров без влияния тёмной материи. Исследователи использовали эти измерения для вычисления масс крошечных концентраций тёмной материи. Для анализа полученных данных учёные также разработали сложные вычислительные программы и методы реконструкции.
“Представьте себе, что каждая из этих восьми галактик представляет собой гигантское увеличительное стекло. Небольшие сгустки тёмной материи являются небольшими трещинами на нём, изменяя яркость и положение четырёх изображений квазаров по сравнению с тем, что мы ожидали бы увидеть, если бы стекло было гладким”, – объясняет член исследовательской команды Дэниел Гилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Исследователи использовали камеру широкого поля WFC3 на телескопе “Хаббл”, чтобы запечатлеть излучение в ближнем инфракрасном диапазоне от каждого квазара и разложить его на составляющие цвета для изучения с помощью спектроскопии. Уникальное излучение фоновых квазаров лучше всего видно именно в инфракрасном свете.
Сильное гравитационное линзирование. Источник: NASA, ESA, and D. Player (STScI)
“Наблюдения “Хаббла” из космоса позволяют нам делать эти измерения в системах галактик, которые не были бы доступны с более низким разрешением наземных телескопов, а атмосфера Земли вообще непрозрачна для того инфракрасного света, который нам нужно было наблюдать”, – Саймон Биррер из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
“Это невероятно, что после почти 30 лет работы “Хаббл” позволяет получать самые передовые открытия в области фундаментальной физики и природы вселенной, о которых мы даже не мечтали, когда этот телескоп был только запущен”.
Гравитационные линзы были обнаружены путем тщательного анализа исследований наземных проектов, таких как Sloan Digital Sky Survey и Dark Energy Survey, которые создали самые подробные трёхмерные карты вселенной. Квазары расположены примерно в 10 миллиардах световых лет от Земли, а галактики переднего плана – примерно в 2 миллиардах световых лет.
Количество малых структур, обнаруженных в ходе исследования, даёт больше информации о природе тёмной материи.
“Свойства частиц тёмной материи влияют на то, сколько скоплений образуется. Это означает, что вы можете узнать о физике частиц тёмной материи, подсчитав количество маленьких скоплений”.
Однако тип частиц, составляющих тёмную материю, до сих пор остается загадкой.
“В настоящее время в Лаборатории нет прямых доказательств существования частиц тёмной материи. Физика элементарных частиц даже не стала бы говорить о ней, если бы космологи не сказали, что она существует, основываясь на наблюдении её эффектов. Когда мы, космологи, говорим о тёмной материи, мы задаемся вопросом: как она влияет на возникновение вселенной и в каких масштабах?”.
Астрономы смогут проводить последующие исследования тёмной материи с помощью будущих космических телескопов, таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба и инфракрасный обзорный телескоп широкого поля WFIRST. Обе эти обсерватории являются инфракрасными. “Уэбб” сможет эффективно проводить эти измерения для всех известных квазаров, имеющих четыре повторных изображения из-за гравитационного линзирования. Максимальное и большое поле зрения WFIRST помогут астрономам вести наблюдения за всей областью пространства, испытывающей воздействие мощного гравитационного поля массивных галактик и скоплений галактик. Это поможет исследователям обнаружить ещё больше таких редких систем.
Команда представит свои результаты на 235-м заседании Американского астрономического общества в Гонолулу, Гавайи.
По информации НАСА.
Источник: