Предложен новый способ измерения темной материи

Прецизионные измерения внутрикластерного света позволяют предположить возможную связанность его с темной материей.

Об этом рассказывают в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) Министерства энергетики США, которая ведет проект "Обзор темной энергии" (ОТЭ), включающий более 300 ученых из 25 институций в шести странах.

Сочетание данных от наблюдений и сложных компьютерных моделирований привело к успехам в области астрофизики, которая томилась уже полвека. Проект ОТЭ опубликовал вспышку новых результатов о так называемом внутрикластерном свете, или ВКС, слабом типе света, который находится внутри скоплений галактик.

Первая вспышка новых, точных измерений ВКС появилась в статье, опубликованной в "Астрофизическом журнале" в апреле 2019 года. Еще одна появилась недавно в "Ежемесячных сообщениях Королевского астрономического общества". И в последнем неожиданном открытии физики из проекта ОТЭ обнаружили новые доказательства того, что ВКС может предложить новый способ измерения таинственной вещества, которое называют темной материей.

Источником ВКС, похоже, что являются звезды-изгнанницы — те, которые не связаны гравитацией ни с одной галактикой. Внутрикластерный свет давно подозревали в том, что он является значимым компонентом скоплений галактик, но его тусклость затрудняет измерения. Никто не знает, сколько его есть или в какой мере он распространился через скопления галактик.

"Наблюдательно мы обнаружили, что внутрикластерный свет является достаточно хорошим радиальным следом темной материи. Это означает, что там, где внутрикластерный свет сравнительно яркий, темная материя является относительно плотной", - говорит ученый из Фермилаб Юаньюань Чжан, которая руководила обоими исследованиями. "Просто измерения самой ВКС достаточно увлекательны. Насчет темной материи — это случайное открытие. Это не то, что мы ожидали".

Хотя невидимая темная материя составляет большую часть вещества во Вселенной, но то, из чего она состоит — одна из главных тайн современной космологии. Ученым известно лишь, что она сильно отличается от обычного вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, которые доминируют в повседневной жизни.

Но именно ВКС, а не темная материя, была сначала на повестке дня исследовательской группы. Большинство астрофизиков измеряют внутрикластерный свет в центре скоплений галактик, где он является ярким и самым распространенным.

"Мы ушли очень далеко от центров скоплений галактик, где свет действительно слаб", - говорит Чжан. "И чем дальше мы шли от центра, тем сложнее становились измерения".

Тем не менее, сотрудникам "Обзора темной энергии" удалось найти именно самое наибольшее радиально расширенное измерение ВКС.

Команда использовала слабое гравитационное линзирование для сравнения радиального распределения ВКС — как оно меняется на расстоянии от центра скопления — с радиальным распределением массы скопления галактики. Слабое линзирование — это метод измерения массы галактики или скопления, чувствительный к темной материи. Он возникает, когда гравитация звезды или скопление на переднем плане выгибает свет с более отдаленной галактики, искажая ее видимую форму.

Наблюдательно оказалось, что ВКС отражает как распределение общей видимой массы скопления галактики, как и, возможно, распределение невидимой темной материи.

"Мы не ожидали найти такой тесной связи между этими радиальными распределениями, но мы это сделали", - сказал ученый Хиллиссон Сампайо Сантос, ведущий автор новой работы.

Сравнение наблюдений с моделированием

Чтобы получить более глубокое понимание, команда использовала сложное компьютерное моделирование для изучения взаимосвязи между ВКС и темной материей. Они обнаружили, что радиальные профили между этими двумя явлениями в моделировании не согласуются с данными наблюдений. При моделировании, "радиальный профиль ВКС был не лучшим компонентом для отслеживания темной материи", - сказал Сампайо Сантос, который работает в Национальной обсерватории в Рио-де-Жанейро, Бразилия.

Чжан отметила, что еще рано говорить, что именно привело к конфликту между наблюдением и моделированием.

"Если симуляция ни была правильной, это может означать, что симитированный внутрикластерный свет производится в несколько другое время, чем при наблюдениях. Имитированные звезды не имели достаточно времени, чтобы побродить и начать прослеживать темную материю", - сказала она.

Сампайо Сантос отметил, что дальнейшие исследования ВКС могут дать представление о динамике, происходящей внутри скоплений галактик, включая взаимодействия, которые гравитационно высвобождают некоторые из их звезд, позволяя им бродить вокруг.

"Я планирую изучить внутрикластерный свет и эффекты релаксации", или распространения, сказал он. Например, некоторые кластеры слились. Эти объединенные кластеры должны иметь разные свойства ВКС по сравнению с кластерами, которые находятся в "расслабленном" состоянии.

Усиление сигналов в шумных наборах данных

Измеряемый командой ВКС примерно в сотни-тысячи раз слабее, чем обычно пытаются измерить ученые ОТЭ. Это означает, что команде пришлось столкнуться с большим количеством шума и загрязнения сигнала.

Технический аспект подвига был сложным, отметила Чжан, "но поскольку у нас было довольно много данных с Обзора темной энергии, нам удалось свести на нет много шума для проведения такого рода измерений. Это статистическое усреднение".

Астрофизики обычно проводят измерения ВКС, используя одновременно несколько скоплений галактик.

"Это способ получить информацию об отдельных системах", - отметила Чжан.

Для получения более широкой картины и подавления шума, команда ОТЭ статистически усреднила около 300 скоплений галактик в первом исследовании и более 500 скоплений во втором. Все они находятся в паре миллиардов световых лет от Земли.

Раздражение сигнала от шума каждого кластера требует много данных, которые и генерирует "Обзор темной энергии". В начале 2019 года ОТЭ завершил свою шестилетнюю миссию наблюдения за сотнями миллионов отдаленных галактик на южном небе и опубликовал свой второй релиз данных в середине января.

Измерение ВКС зондируют скопления, которые находятся на расстоянии до 3,3 миллиарда световых лет от Земли. В будущих исследованиях Чжан хотела бы изучить эволюцию красного смещения ВКС — как оно меняется с космическим временем.

"Моя мечта — пройти весь путь до красного смещения — 10 миллиардов световых лет", - говорит Чжан. "Исследования говорят о том, что ВКС только начал развиваться".

Если зайти так далеко, ученые смогут увидеть построение ВКС со временем.

"Но это на самом деле трудно, поскольку это втрое большие расстояния, чем в наших последних измерениях, поэтому там все будет очень тусклым", - сказала она.

Читайте еще интересные новости о космосе.