Вчені роздивилися найранішу темну матерію, що коли-небудь спостерігалася у Всесвіті

Розкрито розподіл темної матерії навколо галактик 12 мільярдів років тому — найдалі в часі, ніж будь-коли; що не зовсім узгоджується з моделлю Лямбда-CDM.

Про це розповідається в пресрелізі на сайті Американської асоціації сприяння розвитку науки, передають OstanniPodii.com.

Побачити дещо, що сталося так давно, дуже складно. Через кінцеву швидкість світла ми бачимо далекі галактики не такими, якими вони є сьогодні, а такими, якими вони були мільярди років тому. Але ще складніше спостерігати за темною матерією, яка не випромінює світло.

Розглянемо далеку галактику-джерело, навіть віддаленішу, ніж галактика, темну матерію якої ми хочемо дослідити. Гравітаційне тяжіння галактики на передньому плані, включаючи її темну матерію, спотворює навколишній простір і час, відповідно до передбачень загальної теорії відносності Ейнштейна. Коли світло від галактики-джерела проходить через це спотворення, воно згинається, змінюючи видиму форму галактики. Чим більша кількість темної матерії, тим сильніше спотворення. Таким чином, за спотворенням, вчені можуть виміряти кількість темної матерії навколо галактики переднього плану (галактики-лінзи).

Проте, після певного моменту вчені стикаються з проблемою. Галактики у глибинах Всесвіту неймовірно тьмяні. В результаті, що далі від Землі ми дивимося, то менш ефективним стає цей метод. Спотворення від лінзування дуже незначне, і в більшості випадків його важко виявити, тому для виявлення сигналу необхідна велика кількість фонових галактик.

Більшість попередніх досліджень уперлися в ті самі межі. Не маючи можливості виявити досить віддалені галактики-джерела для вимірювання спотворення, вони могли аналізувати темну матерію трохи більше 8-10 мільярдів років тому. Ці обмеження залишали відкритим питання про розподіл темної матерії між цим часом та 13,7 мільярда років тому, на початку нашого Всесвіту.

Для подолання цих труднощів і спостереження темної матерії з найвіддаленіших куточків Всесвіту, дослідницька група під керівництвом Хіронао Міятаке з Нагойського університету у співпраці з Токійським університетом, Національною астрономічною обсерваторією Японії та Прінстонським університетом в США використовувала інше джерело фонового світла — мікрохвилі, випущені самим Великим вибухом.

Спершу, використовуючи дані спостережень Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), команда визначила 1,5 мільйона галактик-лінз за допомогою видимого світла, відібраних для спостереження 12 мільярдів років тому.

Для того, щоб подолати нестачу світла галактик, розташованих ще далі, вони використовували мікрохвилі з космічного мікрохвильового фону (CMB) — випромінювання, що залишилося після Великого вибуху. Використовуючи мікрохвилі, які спостерігає супутник Планка, команда виміряла, як темна матерія навколо галактик-лінз спотворює мікрохвилі.

“Подивитися на темну матерію навколо далеких галактик?” - каже професор Масамі Оучі з Токійського університету, який зробив більшість зі спостережень. “Це була божевільна ідея. Ніхто не розумів, що ми можемо це зробити. Але після того, як я виступив з доповіддю про велику вибірку далеких галактик, Хіронао підійшов до мене і сказав, що можна подивитися на темну матерію навколо цих галактик за допомогою CMB”.

“Більшість дослідників використовують галактики-джерела для вимірювання розподілу темної матерії від теперішнього часу до восьми мільярдів років тому”, - додав доцент Юїті Харікане з Інституту дослідження космічних променів Токійського університету. “Однак ми змогли заглянути далі в минуле, тому що для вимірювання темної матерії ми використовували більш далекий CMB. Вперше ми вимірювали темну матерію практично з ранніх моментів існування Всесвіту”.

Після попереднього аналізу дослідники невдовзі зрозуміли, що вони мають досить велику вибірку для виявлення розподілу темної матерії. Об′єднавши велику вибірку далеких галактик та спотворення від лінзування в CMB, вони виявили темну матерію ще далі у минуле, від 12 мільярдів років тому. Це лише 1,7 мільярда років після початку Всесвіту, і, таким чином, ці галактики видно незабаром після їхнього першого утворення.

“Я був щасливий, що ми відчинили нове вікно в ту епоху”, - сказав Міятаке. “12 мільярдів років тому все було зовсім по-іншому. Ви бачите більше галактик, що знаходяться в процесі формування, ніж зараз; перші скупчення галактик також починають формуватися”. Галактичні скупчення складаються зі 100-1000 галактик, зв’язаних гравітацією з великою кількістю темної матерії.

“Цей результат дає дуже послідовну картину галактик та їх еволюції, а також темної матерії всередині та навколо галактик, і того, як ця картина змінюється з часом”, - сказала Нета Бахкалл, професор астрономії Юджина Хіггінса, професор астрофізичних наук та директор бакалавріату Принстонського університету.

Одне з найцікавіших відкриттів дослідників було пов’язане з грудкуватістю темної матерії. Згідно зі стандартною теорією космології, моделі Лямбда-CDM, тонкі флуктуації в CMB утворюють басейни щільно упакованої матерії, притягуючи навколишню матерію за допомогою гравітації. В результаті утворюються неоднорідні згустки, які формують зорі та галактики у цих щільних регіонах. Висновки групи показують, що виміряна ними щільність скупчень виявилася нижчою, ніж передбачає модель Лямбда-CDM.

Міятаке з ентузіазмом дивиться на можливості, що відкриваються. “Наш висновок все ще незрозумілий”, - сказав він. “Але якщо це правда, то це говорить про те, що вся модель недосконала в міру поглиблення в минуле. Це цікаво, тому що якщо результат збережеться після зменшення невизначеності, це може призвести до покращення моделі, що може дати уявлення про природу темної матерії”.

“На даний момент ми спробуємо отримати якісніші дані, щоб зрозуміти, чи дійсно модель Лямбда-CDM здатна пояснити спостереження, які ми маємо у Всесвіті”, - сказав Андрес Плазас Малагон, молодший науковий співробітник Принстонського університету. “І наслідком цього може бути те, що нам доведеться переглянути припущення, які були покладені в основу цієї моделі”.

“Одна з переваг вивчення Всесвіту за допомогою великомасштабних досліджень, таких як ті, які використовувалися в даному дослідженні, полягає в тому, що ви можете вивчати все, що бачите на отриманих зображеннях, від прилеглих астероїдів у нашій Сонячній системі до найдальших галактик з раннього Всесвіту. Ви можете використовувати одні й ті самі дані для вивчення безлічі нових питань”, - сказав Майкл Штраус, професор та завідувач кафедри астрофізичних наук Принстонського університету.

У цьому дослідженні використовувалися дані, отримані за допомогою поточних телескопів, включаючи "Планк" та "Субару". Група розглянула лише третину даних Subaru Hyper Suprime-Cam Survey. Наступним кроком буде аналіз всього набору даних, що дозволить точніше виміряти розподіл темної матерії. У майбутньому команда розраховує використовувати такий просунутий набір даних, як Legacy Survey of Space and Time (LSST) обсерваторії Віри Рубін, щоб досліджувати більш ранні частини космосу. “LSST дозволить нам спостерігати половину неба”, - каже Харікане. “Я не бачу причин, через які ми не могли б побачити розподіл темної матерії 13 мільярдів років тому”.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.