Ученые увидели вблизи темную материю, раскрыв невидимый каркас Вселенной

Используя мощность суперкомпьютеров, международная группа исследователей увидела крупным планом наименьшие скопления темной материи в виртуальной Вселенной.

Исследование выявило ореолы темной материи как активные области неба, наполненные не только галактиками, но и излучающими столкновениями, что могло бы дать возможность найти эти ореолы на реальном небе, рассказывают в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики.

Темная материя, которая составляет примерно 83% материи во Вселенной, является важным игроком в космической эволюции, в частности в формировании галактик, которые росли, когда газ охлаждался и конденсировался в центре огромных скоплений темной материи. Со временем ореолы образовывались, когда некоторые сгустки темной материи отделились от расширения Вселенной благодаря своей огромной гравитации. Наибольшие ореолы темной материи содержат огромные галактические кластеры – скопления сотен галактик – и хотя их свойства можно определить, изучая эти галактики, которые находятся внутри них, мельчайшие ореолы темной материи, которым, как правило, не хватает даже одной звезды, до сих пор оставались загадкой.

«Среди того, что мы узнали из наших моделирований, это то, что гравитация приводит к тому, что частицы темной материи "слипаются" в чрезмерно плотных регионах Вселенной, оседая в так называемых ореолах темной материи. По сути, их можно считать большими гравитационными колодцами, заполненными частицами темной материи», - сказал Совнак Бозе, докторант Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, и один из ведущих авторов исследования. №Мы считаем, что каждая галактика в космосе окружена расширенным распределением темной материи, которая превышает световой материал галактики в 10-100 раз, в зависимости от типа галактики. Поскольку эта темная материя окружает каждую галактику во всех направлениях, мы называем ее "гало".»

Используя смоделированную Вселенную, исследователи смогли увеличить изображение с точностью, необходимой для распознавания блохи на поверхности полной Луны – с увеличением до 10 в седьмой степени, или 10 с семью нулями после – и создать высоко детализированные изображения сотен виртуальных ореолов темной материи, от большого из известных до наименьшего из ожидаемых.

"Моделирование полезно, поскольку помогает нам количественно определить не только общее распределение темной материи во Вселенной, но и подробную внутреннюю структуру этих ореолов темной материи", - сказал Бозе. "Установление распространенности и внутренней структуры всего диапазона ореолов темной материи, которые могут быть сформированы в модели холодной темной материи, представляет интерес, так как это позволяет нам вычислить, как легко может быть обнаружена темная материя в реальной Вселенной".

Изучая структуру ореолов, исследователи были удивлены: все ореолы с темной материи – большие они или маленькие – имеют очень схожие внутренние структуры: плотные в центре и становятся все более рассеянными по направлению наружу. Без указания масштаба почти невозможно отличить ореол темной материи массивной галактики – до 10^15 солнечных масс – и ореола с массой меньше солнечной – до 10^-6 солнечных масс. "В нескольких предыдущих исследованиях было предположено, что профили плотности супер-мини-ореолов будут сильно отличаться от их массивных аналогов", - сказал Цзе Ванг, астроном Национальной астрономической обсерватории (NAOC) в Пекине и ведущий автор исследования. "Наше моделирование показывает, что они выглядят одинаково на огромном диапазоне масс темных ореолов, и это действительно странно".

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

Бозе добавил, что даже в самых ореолах, которые не окружают галактики, «Наши моделирования позволили нам визуализировать так называемую "космическую паутину". Там, где пересекаются нити темной материи, можно увидеть крошечные, почти сферические пятна темной материи, которые сами по себе являются ореолами, и они настолько универсальны по своей структуре, что я мог бы показать вам изображения галактического скопления с массой в миллион миллиардов раз превышающей массу Солнца, и ореолы земной массы в миллион раз меньше Солнца, и вы не сможете сказать, какой из них где».

Несмотря на то, что изображения ореолов темной материи в этом исследовании являются результатом моделирования, сами моделирования основываются на данных реальных наблюдений. Для астрономов это означает, что исследование может быть воспроизведено в реальном ночном небе при правильной технологии. "Начальные условия, которые были использованы для нашего моделирования, основаны на реальных данных наблюдений, полученных с помощью измерений космического микроволнового фона спутником Планка, что говорит нам о том, какой состав Вселенной и сколько темной материи нужно вложить в нее", - сказал Бозе.

В ходе исследования ученые проверили особенность ореолов темной материи, которая может облегчить их поиск на реальном ночном небе: столкновение частиц. Современная теория предполагает, что частицы темной материи, которые сталкиваются вблизи центра ореолов, могут взорваться бурным всплеском высокоэнергетического гамма-излучения, что потенциально делает ореолы темной материи способными к выявленным с помощью гамма-лучевых и других телескопов.

«Точный способ выявления излучения зависит от точных свойств частицы темной материи. В случае слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые являются одними из ведущих кандидатов в стандартном представлении холодной темной материи, гамма-излучение обычно производится в диапазоне GeV. Были заявления о превышении галактическим центром GeV-излучения в данных [телескопа] Ферми, что может быть вызвано темной материей или, возможно, пульсаром», - говорит Бозе. «Для этой цели также могут быть использованы наземные телескопы, такие как Система массивов телескопов визуализации очень энергичного излучения (VERITAS). И наведение телескопов на другие галактики, кроме нашей, также могло бы помочь, поскольку это излучение должно производиться во всех ореолах темной материи». Ванг добавил: «Получив знания в нашем моделировании, мы можем оценить много разных инструментов для выявления ореолов – гамма-лучи, гравитационное линзирование, динамика. Все эти методы многообещающие в работе, чтобы пролить свет на природу частиц темной материи».

Результаты исследования дают возможность как для современных, так и для будущих исследователей лучше понять, что там, видим мы это или нет. «Понимание природы темной материи является одним из Святых Граалей космологии. Хотя мы знаем, что она доминирует над гравитацией Вселенной, мы очень мало знаем о ее фундаментальных свойствах: насколько тяжелой является отдельная частица, виды взаимодействий, если таковые имеются, ее с обычной материей и т.д.», - сказал Бозе. «Благодаря компьютерному моделированию мы узнали о ее фундаментальной роли в формировании структуры в нашей Вселенной. В частности, мы поняли, что без темной материи наша Вселенная не выглядел бы так, как сейчас. Не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, а значит, и жизни. Это потому, что темная материя действует как невидимая скелетная структура, которая удерживает видимую Вселенную вокруг нас».

Это исследование было опубликовано 2 сентября в журнале Nature.

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Темная материя