Хаббл виявив найменші з відомих скупчень темної матерії

За допомогою космічного телескопу Хаббл та нового способу спостережень, астрономи виявили, що темна матерія утворює набагато менші скупчення, ніж раніше було відомо.

Цей результат підтверджує одне із фундаментальних прогнозувань загально прийнятої теорії «холодної темної матерії», розповідають в НАСА.

Усі галактики, згідно з цією теорією, формуються і є вбудовані в хмари темної матерії. Сама темна матерія складається з повільних або «холодних» частинок, які об'єднуються і утворюють структури, від сотень до тисяч разів більше маси галактики Чумацький Шлях, до скупчень, не масивніших за вагу комерційного літака. (У цьому контексті «холод» означає швидкість частинок.)

Спостереження Хаббла дає нове розуміння природи темної матерії та її поведінки. «Ми зробили дуже переконливий спостережний тест для моделі холодної темної матерії, і він пройшов з успіхом», - сказав Томмазо Треу з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA), член групи спостерігачів.

Темна матерія – це невидима форма речовини, яка складає основну масу Всесвіту і створює риштування, на яких будуються галактики. Хоча астрономи не можуть бачити темну матерію, вони можуть виявити її присутність опосередковано, вимірюючи, як її гравітація впливає на зірки та галактики. Виявлення найменших утворень темної матерії шляхом пошуку вбудованих зірок може бути важкою або неможливою справою, оскільки в них міститься дуже мало зірок.

Хоча концентрації темної матерії були виявлені навколо галактик великих та середніх розмірів, до цих пір не було знайдено значно менших скупчень темної матерії. За відсутності спостережливих доказів для таких дрібних скупчень деякі дослідники розробили альтернативні теорії, включаючи «теплу темну матерію». Ця ідея припускає, що частинки темної матерії занадто швидко рухаються, щоб злитися і утворити менші концентрації. Нові спостереження не підтримують цей сценарій, виявивши, що темна матерія «холодніша», ніж це мало б бути в альтернативній теорії теплої матерії.

«Темна матерія в менших розмірах холодніша, ніж ми вважали», - зазначила Анна Нійренберг з Лабораторії реактивного руху НАСА в Пасадені, штат Каліфорнія, керівник дослідження Хаббла. «Астрономи й раніше проводили інші спостережні перевірки теорій темної матерії, але наші надають найсильніші докази наявності невеликих скупчень холодної темної матерії. Об’єднуючи новітні теоретичні передбачення, статистичні інструменти та нові спостереження Хаббла, ми маємо набагато надійніший результат, ніж це було раніше можливо», - додала вона.

Полювання на концентрації темної матерії, позбавлені зірок, виявилося складною справою. Однак дослідницька група Хаббла використовувала методику, в якій їм не потрібно було шукати гравітаційний вплив зірок як індикатор темної матерії. Команда націлилася на вісім потужних та далеких космічних «вуличних ліхтарів», що звуться квазарами (регіони навколо активних чорних дір, які випромінюють величезну кількість світла). Астрономи виміряли, як світло, що випромінюється киснем та неоновим газом, які обертаються навколо чорних дір квазарів, викривляється гравітацією масивної галактики переднього плану, яка виконує роль збільшувальної лінзи.

Використовуючи цей метод, команда виявила скупчення темної матерії вздовж лінії зору телескопа до квазарів, а також всередині і навколо проміжних лінзуючих галактик. Концентрації темної матерії, виявлені Хабблом, мають від 1/10 000 до 1/100 000 маси гало темної матерії Чумацького Шляху. Більшість з цих крихітних угруповань, швидше за все, не містять навіть невеликих галактик, і тому їх було б неможливо виявити традиційним методом пошуку вбудованих зірок.

Вісім квазарів і галактик були вирівняні настільки точно, що ефект викривлення, званий гравітаційним лінзуванням, давав чотири спотворені зображення кожного квазара. Цей ефект - це ніби дивитися у дзеркало кімнати сміху. Такі чотириразові зображення квазарів рідкісні через майже точне вирівнювання, яке необхідне між галактикою переднього плану та фоновим квазаром. Тим не менш, дослідникам були необхідні кілька зображень, щоб провести більш детальний аналіз.

Наявність скупчень темної матерії змінює видимі яскравість і положення кожного викривленого на зображені квазара. Астрономи порівняли ці вимірювання з передбаченнями того, як виглядатимуть зображення квазарів без впливу темної матерії. Дослідники використовували вимірювання для обчислення маси крихітних концентрацій темної матерії. Для аналізу даних дослідники також розробили складні обчислювальні програми та методи інтенсивних реорганізацій.

«Уявіть, що кожна з цих восьми галактик - це гігантська лупа, - пояснює член команди Даніель Гілман з UCLA. - Дрібні скупчення темної матерії діють як невеликі тріщини на збільшувальному склі, змінюючи яскравість і положення чотирьох зображень квазара порівняно з тим, що ви б очікували побачити, якби скло було гладким.»

Дослідники використовували Широкоформатну камеру 3 на Хабблі  для захоплення ближньо-інфрачервоного світла від кожного квазару та розподілення його на складові кольори для дослідження за допомогою спектроскопії. Унікальні випромінювання від фонових квазарів найкраще видні в інфрачервоному світлі. «Спостереження Хаббла з космосу дозволяють нам проводити ці вимірювання в галактичних системах, які були б недоступні з меншою роздільною здатністю наземних телескопів. А атмосфера Землі непрозора для інфрачервоного світла, яке нам потрібно було спостерігати», - пояснив член команди Саймон Біррер з UCLA.

Треу додав: «Неймовірно, що після майже 30 років роботи, Хаббл надає передові уявлення про фундаментальну фізику та природу Всесвіту, про які ми навіть не мріяли, коли запускали телескоп».

Гравітаційні лінзи були виявлені шляхом відсіювання за допомогою наземних досліджень, таких як Слоанівський цифровий огляд неба і Огляд темної енергії, які надають найбільш детальні, з коли-небуть зроблених, тривимірні карти Всесвіту. Квазари розташовані приблизно за 10 мільярдів світлових років від Землі; галактики на передньому плані, близько 2 млрд світлових років.

Кількість малих структур, виявлених у дослідженні, надає більше підказок щодо природи темної матерії. «Властивості частинок темної матерії впливають на те, скільки скупчень утворюється, - пояснює Ніренберг. - Це означає, що ви можете дізнатися про фізику частинок темної матерії, підрахувавши кількість невеликих скупчень.»

Однак, тип частинок, які утворюють темну матерію, досі залишається загадкою. «На даний час немає прямих лабораторних доказів того, що частинки темної матерії існують, - каже Біррер. - Фізики елементарних частинок навіть не говорили б про темну матерію, якби космологи не сказали, що вона є там, базуючись на спостереженнях за її ефектами. Коли ми, космологи, говоримо про темну матерію, ми запитуємо «як вона керує появою Всесвіту, і у яких масштабах?»

Астрономи зможуть проводити подальші дослідження темної матерії за допомогою майбутніх космічних телескопів NASA, таких як космічний телескоп Джеймса Вебба та Телескоп ширококутного інфрачервоного огляду (WFIRST), обох інфрачервоних обсерваторій. Вебб зможе ефективно отримувати ці вимірювання для всіх відомих квазарів з четверним лінзуванням. Різкість і велике поле огляду WFIRST допоможуть астрономам проводити спостереження за всією областю космосу, на яку впливає величезне гравітаційне поле масивних галактик і галактичних скупчень. Це допоможе дослідникам розкрити ще багато цих рідкісних систем.

* На малюнку проілюстровано, як світло далекого квазару змінюється масивною галактикою переднього плану та крихітними скупченнями темної матерії вздовж шляху світла. Потужна гравітація галактики викривляє та збільшує світло квазара, створюючи чотири спотворені зображення квазара. Скупчення темної матерії розташовані навколо лінії зору космічного телескопа Хаббла до квазару, а також всередині і навколо галактики на передньому плані. Наявність скупчень темної матерії змінює справжні яскравість і положення кожного спотвореного квазару, деформуючи і злегка згинаючи світло, коли воно рухається від далекого квазару до Землі, як це зображено на ілюстрації хвилястими лініями. Астрономи порівняли ці вимірювання з передбаченнями того, як виглядатимуть зображення квазарів без впливу скупчень темної матерії. Дослідники використовували ці вимірювання для обчислення маси крихітних концентрацій темної матерій. Чотирні зображення квазарів рідкісні, тому що фоновий квазар і галактика переднього плану потребують майже ідеального вирівнювання.

Читайте ще цікаві новини про космос.