Запропоновано новий спосіб вимірювання темної матерії

Прецизійні вимірювання внутрішньокластерного світла дозволяють припустити можливий пов’язанність його з темною матерією.

Про це розповідають в Національній прискорювальній лабораторії імені Фермі (Фермілаб) Міністерства енергетики США, яка веде проект “Огляд темної енергії” (ОТЕ), що включає понад 300 науковців з 25 інституцій у шести країнах.

Поєднання даних від спостережень та складних комп’ютерних моделювань призвело до успіхів в області астрофізики, яка томилася вже півстоліття. Проект ОТЕ опублікував спалах нових результатів щодо так званого внутрішньокластерного світла, або ВКС, слабкого типу світла, що знаходиться всередині скупчень галактик.

Перший спалах нових, точних вимірювань ВКС з’явився в статті, опублікованій в “Астрофізичному журналі” у квітні 2019 року. Ще один з’явився нещодавно у “Щомісячних повідомленнях Королівського астрономічного товариства”. І в останньому несподіваному відкритті фізики з проекту ОТЕ виявили нові докази того, що ВКС може запропонувати новий спосіб вимірювання таємничої речовини, яку називають темною матерією.

Джерелом ВКС, схоже, що є зірки-вигнанки — ті, які не пов'язані гравітацією з жодною галактикою. Внутрішньокластерне світло давно підозрювали в тому, що воно є значущим компонентом скупчень галактик, але його тьмяність ускладнює вимірювання. Ніхто не знає, скільки його існує чи в якій мірі воно поширилося через скупчення галактик.

“Спостережливо ми виявили, що внутрішньокластерне світло є досить хорошим радіальним слідом темної матерії. Це означає, що там, де внутрішньокластерне світло порівняно яскраве, темна матерія є відносно щільною”, - каже вчена з Фермілаб Юаньюань Чжан, яка керувала обома дослідженнями. “Просто вимірювання самої ВКС досить захоплююче. Щодо темної матерії — це випадкове відкриття. Це не те, що ми очікували”.

Хоча невидима темна матерія становить більшу частину речовини у Всесвіті, але те, з чого вона складається — одна з головних таємниць сучасної космології. Вченим відомо лише, що вона сильно відрізняється від звичайної речовини, що складається з протонів, нейтронів та електронів, що домінують у повсякденному житті.

Але саме ВКС, а не темна матерія, була спочатку на порядку денному дослідницької групи. Більшість астрофізиків вимірюють внутрішньокластерне світло в центрі скупчень галактик, де воно є найяскравішим і найпоширенішим.

“Ми пішли дуже далеко від центрів скупчень галактик, де світло справді слабке”, - каже Чжан. “І чим далі ми йшли від центру, тим складнішим ставало вимірювання”.

Тим не менше, співробітникам “Огляду темної енергії” вдалося знайти саме найбільше радіально розширене вимірювання ВКС.

Команда використовувала слабке гравітаційне лінзування для порівняння радіального розподілу ВКС — як воно змінюється на відстані від центру скупчення — з радіальним розподілом маси скупчення галактики. Слабке лінзування — це метод вимірювання маси галактики або скупчення, чутливий до темної матерії. Він виникає, коли гравітація зірки або скупчення на передньому плані вигинає світло з більш віддаленої галактики, спотворюючи її видиму форму.

Спостережливо виявилося, що ВКС відображає як розподіл загальної видимої маси скупчення галактики, як і, можливо, розподіл невидимої темної матерії.

“Ми не очікували знайти такий тісний зв'язок між цими радіальними розподілами, але ми це зробили”, - сказав учений Хілліссон Сампайо-Сантос, провідний автор нової роботи.

Порівняння спостережень із моделюванням

Щоб отримати глибше розуміння, команда використовувала складне комп'ютерне моделювання для вивчення взаємозв'язку між ВКС та темною матерією. Вони виявили, що радіальні профілі між цими двома явищами в моделюванні не узгоджуються з даними спостережень. Під час моделювання, “радіальний профіль ВКС був не найкращим компонентом для відстеження темної матерії”, - сказав Сампайо-Сантос, який працює в Національній обсерваторії в Ріо-де-Жанейро, Бразилія.

Чжан зазначила, що ще рано говорити, що саме спричинило конфлікт між спостереженням та моделюванням.

“Якщо симуляція не була правильною, це може означати, що імітоване внутрішньокластерне світло виробляється в дещо інший час, ніж при спостереженнях. Імітовані зірки не мали достатньо часу, щоб побродити і почати простежувати темну матерію”, - сказала вона.

Сампайо-Сантос зазначив, що подальші дослідження ВКС можуть дати уявлення про динаміку, що відбувається всередині скупчень галактик, включаючи взаємодії, які гравітаційно вивільняють деякі з їхніх зірок, дозволяючи їм блукати навколо.

“Я планую вивчити внутрішньокластерне світло та ефекти релаксації”, або розповсюдження, сказав він. Наприклад, деякі кластери злилися. Ці об'єднані кластери повинні мати різні властивості ВКС порівняно з кластерами, які перебувають у “розслабленому” стані.

Посилення сигналів у шумливих наборах даних

Вимірюване командою ВКС приблизно в сотні-тисячі разів слабше, ніж зазвичай намагаються виміряти вчені ОТЕ. Це означає, що команді довелося зіткнутися з великою кількістю шуму та забрудненням сигналу.

Технічний аспект подвигу був складним, зазначила Чжан, “але оскільки у нас було досить багато даних з Огляду темної енергії, нам вдалося звести нанівець багато шуму для проведення такого роду вимірювань. Це статистичне усереднення”.

Астрофізики зазвичай проводять вимірювання ВКС, використовуючи одночасно кілька скупчень галактик.

“Це чудовий спосіб отримати інформацію про окремі системи”, - відмітила Чжан.

Для отримання ширшої картини та придушення шуму, команда ОТЕ статистично усереднила близько 300 скупчень галактик у першому дослідженні та більше 500 скупчень у другому. Усі вони знаходяться в парі мільярдів світлових років від Землі.

Подразнення сигналу від шуму кожного кластера потребує багато даних, які і генерує “Огляд темної енергії”. На початку 2019 року ОТЕ завершив свою шестирічну місію спостереження за сотнями мільйонів віддалених галактик на південному небі та опублікував свій другий реліз даних у середині січня.

Вимірювання ВКС зондують скупчення, які знаходяться на відстані до 3,3 мільярда світлових років від Землі. У майбутніх дослідженнях Чжан хотіла б вивчити еволюцію червоного зміщення ВКС — як воно змінюється з космічним часом.

"Моя мрія — пройти весь шлях до червоного зміщення — 10 мільярдів світлових років”, - каже Чжан. “Дослідження говорять про те, що ВКС тільки почало розвиватися”.

Якщо зайти так далеко, вчені зможуть побачити побудову ВКС з часом.

“Але це насправді важко, оскільки це втричі більші відстані, ніж в наших останніх вимірюваннях, тому там все буде надзвичайно тьмяним”, - сказала вона.

Читайте ще цікаві новини про космос.