Хаббл обнаружил самые маленькие из известных скоплений темной материи

С помощью космического телескопа Хаббла и нового способа наблюдений, астрономы обнаружили, что темная материя образует намного меньшие скопления, чем ранее было известно.

Этот результат подтверждает одно из фундаментальных прогнозирований общепринятой теории «холодной темной материи», рассказывают в НАСА.

Все галактики, согласно этой теории, формируются и являются встроенными в облака темной материи. Сама темная материя состоит из медленных или «холодных» частиц, которые объединяются и образуют структуры, которые от сотен до тысяч раз больше массы галактики Млечный Путь, до скоплений, не массивнее веса коммерческого самолета. (В этом контексте «холод» означает скорость частиц.)

Наблюдение Хаббла дает новое понимание природы темной материи и ее поведения. «Мы сделали очень убедительный наблюдательный тест для модели холодной темной материи, и он прошел с успехом», - сказал Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), член группы наблюдателей.

Темная материя – это невидимая форма вещества, которая составляет основную массу Вселенной и создает строительные леса, на которых строятся галактики. Хотя астрономы не могут видеть темную материю, они могут обнаружить ее присутствие опосредованно, измеряя, как ее гравитация влияет на звезды и галактики. Выявление самых образований темной материи путем поиска встроенных звезд может быть тяжелым или невозможным делом, поскольку в них содержится очень мало звезд.

Хотя концентрации темной материи были обнаружены вокруг галактик крупных и средних размеров, до сих пор не было найдено значительно меньших скоплений темной материи. При отсутствии наблюдательных доказательств для таких мелких скоплений некоторые исследователи разработали альтернативные теории, включая «теплую темную материю». Эта идея предполагает, что частицы темной материи слишком быстро двигаются, чтобы слиться и образовать меньшие концентрации. Новые наблюдения не поддерживают этот сценарий, обнаружив, что темная материя «холоднее», чем это должно быть в альтернативной теории теплой материи.

«Темная материя в меньших размерах холоднее, чем мы считали», - отметила Анна Нийренберг из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния, руководитель исследования Хаббла. «Астрономы и раньше проводили другие наблюдательные проверки теорий темной материи, но наши дают сильные доказательства наличия небольших скоплений холодной темной материи. Объединяя новейшие теоретические предсказания, статистические инструменты и новые наблюдения Хаббла, мы имеем гораздо более надежный результат, чем это было раньше возможно», - добавила она.

Охота на концентрации темной материи, лишенные звезд, оказалось сложным делом. Однако исследовательская группа Хаббла использовала методику, в которой им не нужно было искать гравитационное воздействие звезд как индикатор темной материи. Команда нацелилась на восемь мощных и дальних космических «уличных фонарей», называемых квазарами (регионы вокруг активных черных дыр, которые излучают огромное количество света). Астрономы измерили, как свет, излучаемый кислородом и неоновым газом, которые вращаются вокруг черных дыр квазаров, искривляется гравитацией массивной галактики переднего плана, которая выполняет роль увеличительной линзы.

Используя этот метод, команда обнаружила скопления темной материи вдоль линии зрения телескопа к квазарам, а также внутри и вокруг промежуточных линзирующих галактик. Концентрации темной материи, обнаруженные Хабблом, имеют от 1/10 000 до 1/100 000 массы гало темной материи Млечного Пути. Большинство из этих крошечных группировок, скорее всего, не содержат даже небольших галактик, и поэтому их было бы невозможно выявить обычным способом поиска встроенных звезд.

Восемь квазаров и галактик были выровнены настолько точно, что эффект искажения, называемый гравитационным линзированием, давал четыре искаженные изображения каждого квазара. Этот эффект - это как смотреть в зеркало комнаты смеха. Такие четверные изображения квазаров редкие из-за почти точного выравнивания, которое необходимо между галактикой переднего плана и фоновым квазаром. Тем не менее, исследователям были необходимы несколько изображений, чтобы провести более детальный анализ.

Новости по подобной теме:

		Вокруг Млечного Пути обнаружена странная звездная система
		Новое исследование показывает, что нашей Вселенной не обязательна темная материя
		Астрономы установили влияние темной материи на эволюцию галактик

Наличие скоплений темной материи меняет видимые яркость и положение каждого искаженного на изображении квазара. Астрономы сравнили эти измерения с предсказаниями того, как будут выглядеть изображения квазаров без влияния темной материи. Исследователи использовали измерения для вычисления массы крошечных концентраций темной материи. Для анализа данных исследователи также разработали сложные вычислительные программы и методы интенсивных реорганизаций.

«Представьте, что каждая из этих восьми галактик - это гигантская лупа, - объясняет член команды Даниэль Гилман из UCLA. - Мелкие скопления темной материи действуют как небольшие трещины на увеличительном стекле, меняя яркость и положение четырех изображений квазара по сравнению с тем, что вы бы ожидали увидеть, если бы стекло было гладким.»

Исследователи использовали Широкоформатную камеру 3 на Хаббле для захвата ближне-инфракрасного света от каждого квазара и распределения его на составляющие цвета для исследования с помощью спектроскопии. Уникальные излучения от фоновых квазаров лучше видны в инфракрасном свете. «Наблюдения Хаббла из космоса позволяют нам проводить эти измерения в галактических системах, которые были бы недоступны с меньшим разрешением наземных телескопов. А атмосфера Земли непрозрачна для инфракрасного света, который нам нужно было наблюдать», - пояснил член команды Саймон Биррер из UCLA.

Треу добавил: «Невероятно, что после почти 30 лет работы, Хаббл предоставляет передовые представления о фундаментальной физике и природе Вселенной, о которых мы даже не мечтали, когда запускали телескоп».

Гравитационные линзы были обнаружены путем отсеивания с помощью наземных исследований, таких как Слоановский цифровой небесный обзор и Обзор темной энергии, которые предоставляют наиболее детальные, из когда-либо сделанных, трехмерные карты Вселенной. Квазары расположены примерно в 10 миллиардах световых лет от Земли; галактики на переднем плане, около 2 млрд световых лет.

Количество малых структур, выявленных в исследовании, предоставляет больше подсказок о природе темной материи. «Свойства частиц темной материи влияют на то, сколько скоплений образуется, - объясняет Ниренберг. - Это значит, что вы можете узнать о физике частиц темной материи, подсчитав количество небольших скоплений.»

Однако, тип частиц, которые образуют темную материю, до сих пор остается загадкой. «В настоящее время нет прямых лабораторных доказательств того, что частицы темной материи существуют, - говорит Биррер. - Физики элементарных частиц даже не говорили бы о темной материи, если бы космологи не сказали, что она там, основываясь на наблюдениях за ее эффектами. Когда мы, космологи, говорим о темной материи, мы спрашиваем «как она управляет появлением Вселенной, и в каких масштабах?»

Астрономы смогут проводить дальнейшие исследования темной материи с помощью будущих космических телескопов NASA, таких как космический телескоп Джеймса Уебба и Телескоп широкоугольного инфракрасного обзора (WFIRST), оба инфракрасные обсерватории. Уэбб сможет эффективно получать эти измерения для всех известных квазаров с четверным линзированием. Резкость и большое поле обзора WFIRST помогут астрономам проводить наблюдения за всей областью космоса, на которую влияет огромное гравитационное поле массивных галактик и галактических скоплений. Это поможет исследователям раскрыть еще много этих редких систем.

* На рисунке проиллюстрировано, как свет дальнего квазара меняется массивной галактикой переднего плана и крошечными скоплениями темной материи вдоль пути света. Мощная гравитация галактики искажает и увеличивает свет квазара, создавая четыре искаженные изображения квазара. Скопления темной материи расположены вокруг линии видимости космического телескопа Хаббла к квазару, а также внутри и вокруг галактики на переднем плане. Наличие скоплений темной материи меняет настоящие яркость и положение каждого искаженного на изображении квазара, деформируя и слегка изгибая свет, когда он движется от дальнего квазара к Земле, как показано на иллюстрации волнистыми линиями. Астрономы сравнили эти измерения с предсказаниями того, как будут выглядеть изображение квазаров без влияния скоплений темной материи. Исследователи использовали эти измерения для вычисления массы крошечных концентраций темной материй. Четверные изображения квазаров редки, так как фоновый квазар и галактика переднего плана потребуют почти идеального выравнивания.

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Темная материя