Науковці побачили зблизька темну матерію, розкривши невидимий каркас Всесвіту

Використовуючи потужність суперкомп’ютерів, міжнародна група дослідників побачила крупним планом найменші скупчення темної матерії у віртуальному Всесвіті.

Дослідження виявило ореоли темної матерії як активні області неба, наповнені не тільки галактиками, але і зіткненнями, що випромінюють, що могло б дати можливість знайти ці ореоли на реальному небі, розповідають в Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики.

Темна матерія, яка складає приблизно 83% матерії у Всесвіті, є важливим гравцем у космічній еволюції, зокрема у формуванні галактик, які зростали, коли газ охолоджувався та конденсувався в центрі величезних скупчень темної матерії. З часом ореоли утворювались, коли деякі згустки темної матерії відокремилися від розширення Всесвіту завдяки своїй величезній гравітації. Найбільші ореоли темної матерії містять величезні галактичні кластери – скупчення сотень галактик – і хоча їх властивості можна визначити, вивчаючи ці галактики, що знаходяться всередині них, найдрібніші ореоли темної матерії, яким, як правило, бракує навіть однієї зірки, досі залишались загадкою.

"Серед того, що ми дізналися з наших моделювань, це те, що гравітація призводить до того, що частинки темної матерії "злипаються" в надмірно щільних регіонах Всесвіту, осідаючи в так званих ореолах темної матерії. По суті, їх можна вважати великими гравітаційними колодязями, заповненими частинками темної матерії", - сказав Совнак Бозе, докторант Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, і один з провідних авторів дослідження. "Ми вважаємо, що кожна галактика в космосі оточена розширеним розподілом темної матерії, яка перевищує світловий матеріал галактики в 10-100 разів, залежно від типу галактики. Оскільки ця темна матерія оточує кожну галактику в усіх напрямках, ми називаємо її "гало"."

Використовуючи змодельований Всесвіт, дослідники змогли збільшити зображення з точністю, необхідною для розпізнавання блохи на поверхні повного Місяця – зі збільшенням до 10 у сьомому ступені, або 10 із семи нулями після – і створити високо деталізовані зображення сотень віртуальних ореолів темної матерії, від найбільшого з відомих до найменшого з очікуваних.

"Моделювання корисне, оскільки допомагає нам кількісно визначити не лише загальний розподіл темної матерії у Всесвіті, але й детальну внутрішню структуру цих ореолів темної матерії", - сказав Бозе. "Встановлення поширеності та внутрішньої структури всього діапазону ореолів темної матерії, які можуть бути сформовані в моделі холодної темної матерії, становить інтерес, тому що це дозволяє нам обчислити, як легко може бути виявлена темна матерія в реальному Всесвіті".

Вивчаючи структуру ореолів, дослідники були здивовані: всі ореоли з темної матерії - великі вони, чи малі - мають дуже схожі внутрішні структури: щільні в центрі і стають дедалі розсіяними у напрямку назовні. Без вказання масштабу майже неможливо відрізнити ореол темної матерії масивної галактики - до 10^15 сонячних мас - і ореолу з масою менше сонячної - до 10^-6 сонячних мас. "У кількох попередніх дослідженнях було припущено, що профілі щільності супер-міні-ореолів будуть сильно відрізнятися від їх масивних аналогів", - сказав Цзе Ванг, астроном Національної астрономічної обсерваторії (NAOC) у Пекіні та провідний автор дослідження. "Наше моделювання показує, що вони виглядають однаково на величезному диапазоні мас темних ореолів, і це справді дивно".

Бозе додав, що навіть у найменших ореолах, які не оточують галактики, "Наші моделювання дозволили нам візуалізувати так звану 'космічну павутину'. Там, де перетинаються нитки темної матерії, можна побачити крихітні, майже сферичні плями темної матерії, які самі по собі є ореолами, і вони настільки універсальні за своєю структурою, що я міг би показати вам зображення галактичного скупчення з масою, що в мільйон мільярдів разів перевищує масу Сонця, і ореоли земної маси в мільйон разів менше Сонця, і ви не зможете сказати, який з них де".

Незважаючи на те, що зображення ореолів темної матерії в цьому дослідженні є результатом моделювання, самі моделювання ґрунтуються на даних реальних спостережень. Для астрономів це означає, що дослідження може бути відтворено на реальному нічному небі за умови правильної технології. "Початкові умови, які були використані для нашого моделювання, базуються на реальних даних спостережень, отриманих за допомогою вимірювань космічного мікрохвильового фону супутником Планка, що говорить нам про те, який склад Всесвіту і скільки темної матерії потрібно вкласти в нього", - сказав Бозе.

Під час дослідження науковці перевірили особливість ореолів темної матерії, яка може полегшити їх пошук на реальному нічному небі: зіткнення частинок. Сучасна теорія припускає, що частинки темної матерії, які стикаються поблизу центру ореолів, можуть вибухнути бурхливим сплеском високоенергетичного гамма-випромінювання, що потенційно робить ореоли темної матерії здатними до виявленим за допомогою гамма-променевих та інших телескопів.

«Точний спосіб виявлення випромінювання залежить від точних властивостей частинки темної матерії. У випадку масивних частинок, що слабко взаємодіють (WIMP), які є одними з провідних кандидатів у стандартному уявленні холодної темної матерії, гамма-випромінювання зазвичай виробляється в діапазоні GeV. Були заяви про перевищення галактичним центром GeV-випромінювання в даних [телескопу] Фермі, що може бути викликане темною матерією або ж, можливо, пульсаром», - каже Бозе. «Для цієї мети також можуть бути використані наземні телескопи, такі як Система масивів телескопів візуалізації дуже енергійного випромінювання (VERITAS). І наведення телескопів на інші галактики, окрім нашої, також могло б допомогти, оскільки це випромінювання повинно вироблятися у всіх ореолах темної матерії». Ванг додав: «Отримавши знання з нашого моделювання, ми можемо оцінити багато різних інструментів для виявлення ореолів – гамма-промені, гравітаційне лінзування, динаміка. Усі ці методи багатообіцяючі в роботі, щоби пролити світло на природу частинок темної матерії».

Результати дослідження дають можливість як для сучасних, так і для майбутніх дослідників краще зрозуміти, що там, бачимо ми це чи ні. «Розуміння природи темної матерії є одним із Святих Граалів космології. Хоча ми знаємо, що вона домінує над гравітацією Всесвіту, ми дуже мало знаємо про її фундаментальні властивості: наскільки важкою є окрема частинка, які види взаємодій, якщо такі є, вона має зі звичайною матерією, тощо», - сказав Бозе. «Завдяки комп’ютерному моделюванню ми дізналися про її фундаментальну роль у формуванні структури у нашому Всесвіті. Зокрема, ми зрозуміли, що без темної матерії наш Всесвіт не виглядав би так, як зараз. Не було б ані галактик, ані зірок, ані планет, а отже, і життя. Це тому, що темна матерія діє як невидима скелетна структура, яка утримує видимий Всесвіт навколо нас».

Це дослідження було опубліковане 2 вересня в журналі Nature.

Читайте ще цікаві новини про космос.