;
Кейсы 1 августа 2022

В темной материи нашли мало «комочков»: рассказываем о новом исследовании

Далее

Ученые исследовали распределение темной материи на расстоянии в 12 млрд световых лет, и это не предел. «Хайтек» рассказывает о ходе работы и об открытии, которое меняет космологическую модель.

По оценке исследователей, около четверти общей массы Вселенной составляет темная материя. Она находится в «ореолах», окружающих галактики, и информацию об эволюции этого невидимого вещества можно получить, исследуя различные «косвенные» эффекты. 

В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, астрофизики использовали анализ реликтового излучения, чтобы нанести на карту распределение темной материи в галактике, существовавшей через 1,7 млрд лет после Большого взрыва.

Гравитационное линзирование открывает невидимое

Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, а значит, она не излучает волны ни на одной из частот. Звезды и галактические скопления, фотографии которых привлекают широкое внимание, можно наблюдать в видимом и инфракрасном свете. Нейтронные звезды «посылают» радиоимпульсы. Темную материю так не увидеть.

На помощь приходят общая теория относительности и гравитационное линзирование. Как известно, массивные объекты искажают окружающее пространство и время. Если за пределами исследуемой галактики есть другие, то свет, который будет идти мимо, исказится под действием гравитации. Поэтому видимая форма галактики будет изменена.

Наблюдая одну и ту же галактику, которая находится за гравитационной линзой и вне ее, можно определить, как сильно искажается свет. Чем сильнее искажение, тем больше масса галактики, а значит, и масса темной материи. 

Эта модель немного упрощает реальность, но хорошо описывает технологию. В реальных исследованиях практически невозможно найти две галактики, на свет одной из которых будет влиять только другая. Таких гравитационных воздействий может быть множество, и все они должны быть учтены.

Эффект гравитационного линзирования. «Космическая подкова» — гигантская эллиптическая галактика линзирующая карликовую. Изображение: ESA/Hubble & NASA 

8–10 млрд световых лет — это предел

Технология гравитационного линзирования на основе далеких галактик широко применима. С ее помощью астрофизики изучили распределение темной материи во многих космических скоплениях. Но чем дальше находится объект, чем сильнее его красное смещение, тем сложнее использовать эту технику.

Проблема заключается в том, что на определенном этапе далекие галактики становятся слишком тусклыми, а потому очень сложно отследить искажения, которые вызывает гравитационная линза. Чем дальше от Земли находится нужный объект, тем менее эффективной становится эта техника. Искажение линзы тонкое, и в большинстве случаев его трудно обнаружить, поэтому для изучения необходимо много фоновых галактик.  

Не имея возможности обнаружить достаточно далекие исходные галактики для измерения искажения, исследователи столкнулись с ограничением. Они смогли проанализировать только темную материю не более 8–10 миллиардов лет назад. К таким же результатам пришли и другие ученые.

Как удалось провести новое исследование?

Чтобы собрать необходимые данные, ученые исследовали более 1,5 млн галактик-линз со средним красным смещением около 4. Из-за расширения Вселенной космические объекты удаляются друг от друга, а частота электромагнитного излучения становится меньше, например, видимый свет смещается в красную сторону спектра. Изучая этот эффект, можно оценить возраст удаленных объектов. Космологическое красное смещение 4 соответствует галактикам, расположенным на расстоянии около 12 млрд световых лет.

Поскольку видимого света, исходящего от более далеких объектов, было недостаточно для изучения гравитационных искажений, исследователи использовали наблюдения реликтового излучения, полученные спутником «Планк». 

Реликтовое излучение — это равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. В своей работе ученые заменили свет на микроволны и изучили, как гравитационные линзы искажают это излучение. 

Это была сумасшедшая идея. Никто не знал, что мы можем это сделать. Но после того, как я выступил с докладом о большом наборе далеких галактик, Хиронао подошел ко мне и сказал, что возможно исследовать темную материю вокруг этих галактик с помощью реликтового излучения.

Масами Оучи, астрофизик и соавтор работы

После предварительного анализа исследователи поняли, что у них есть достаточно большая выборка, чтобы обнаружить распределение темной материи. Объединив образец большой далекой галактики и искажения линзы в реликтовом излучении, они обнаружили темную материю 12 млрд лет назад. Это всего через 1,7 млрд лет после начала Вселенной, а значит, эти галактики стали видны вскоре после формирования. 

Схема эксперимента: космический спутник собирает данные об искажении реликтового излучения, а наземные телескопы исследует видимое излучение галактики. Изображение: APS / Алан Стоунбрейкер

Что они узнали?

Самое удивительное открытие исследователей связано с комковатостью темной материи. Стандартная космологическая теория (модель Лямбда-CDM) предполагает, что тонкие флуктуации реликтового излучения образуют скопления плотно упакованного вещества, притягивая окружающее вещество под действием гравитации. Это создает неоднородные скопления, которые образуют звезды и галактики в этих плотных областях.

Результаты нового исследования показали, что комковатость темной материи в ранней Вселенной была ниже, чем предсказывает модель Лямбда-CDM. Это означает, что если измерения верны, то существующая теория неверно описывает эволюцию в первые млрд лет после Большого взрыва. А значит, нужно будет уточнить представления о природе и развитии материи и Стандартную космологическую теорию.

На данный момент мы попытаемся получить более качественные данные, чтобы увидеть, действительно ли модель Lambda-CDM способна объяснить наблюдения, которые мы имеем во Вселенной. И следствием может быть то, что нам нужно пересмотреть предположения, которые вошли в эту модель.

Андрес Пласас Малагон, научный сотрудник Принстонского университета и соавтор работы

Пока ученые изучили только треть от общего объема полученных данных. Дополнительная обработка поможет уточнить имеющиеся результаты и распределение темной материи. Кроме того, они планируют использовать массивы данных от других телескопов, чтобы расширить объем исследования и заглянуть еще дальше — в 1 млрд лет после Большого взрыва.

Изображение на обложке: снимок «Темная материя в созвездии Кита» телескопа «Хаббл». Источник: ESA/Hubble & NASA, D. Calzetti


Читать далее:

Вышедшая из-под контроля китайская ракета скоро упадет обратно на Землю. Что происходит

Ученые сняли на видео странное существо с щупальцами, которое приняли за цветок

Морские археологи нашли обломки, оставшиеся после средневекового кораблекрушения