Составление карты темной материи с помощью космического фонового излучения
В серии новых работ члены совместного проекта Atacama Cosmology Telescope (ACT) использовали свет от космического микроволнового фона (CMB) для создания новой карты распределения темной материи.
Карта охватывает четверть неба и простирается вглубь космоса. Она также подтверждает справедливость общей теории относительности Эйнштейна и его предсказаний о том, как масса изменяет кривизну пространства-времени.
Космическое микроволновое фоновое излучение
В 1960-х годах Пензиас и Уилсон, два радиоастронома, заметили микроволновый фон, видимый во всех направлениях с одинаковой интенсивностью. Он не был связан с каким-либо конкретным источником и был виден в любое время суток и в любое время года. Сегодня это излучение известно как космическое микроволновое фоновое излучение и является фундаментальным элементом теории Большого взрыва.
Согласно этой теории, когда Вселенная родилась, почти 14 миллиардов лет назад, она была пронизана плазмой частиц (в основном протонов, нейтронов и электронов) и фотонов (света) при высокой температуре. В этих условиях фотоны постоянно взаимодействовали со свободными электронами, что означало, что они не могли преодолевать большие расстояния, так как сразу же сталкивались с новым электроном. Поэтому фотоны не могли освещать первозданную Вселенную, которая была непрозрачной.
Однако Вселенная расширялась, и по мере ее расширения она остывала, поскольку фиксированное количество энергии в ней могло распространяться на большие объемы. Примерно через 380 000 лет ее температура достигла 3000 К (около 2700ºC), и в этот момент электроны смогли соединиться с протонами и образовать атомы водорода. В отсутствие свободных электронов, с которыми можно было бы взаимодействовать, фотоны могли беспрепятственно перемещаться по Вселенной, которая стала прозрачной.
Эти фотоны составляют то, что мы сейчас называем CMB, и, как и все остальные фотоны во Вселенной, подвержены красному смещению. Благодаря этому механизму мы можем понять, к какой эпохе относятся наблюдаемые нами фотоны, и построить карту, которая также является временной. Таким образом, астрономы могут измерить, насколько быстро расширяется Вселенная.
CMB как инструмент для исследования темной материи
Согласно наиболее широко принятой космологической модели, называемой моделью холодной темной материи Лямбда (Lambda CDM), на темную материю приходится 85% массы космоса. К сожалению, она не взаимодействует с обычной материей через электрослабые или сильные ядерные силы, а только через гравитацию, самую слабую из сил.
Для отслеживания этой иллюзорной и неосязаемой массы участники проекта ACT используют миллиметровый волновой телескоп, расположенный в обсерватории Льяно-де-Чайнантор в Чили. Как описано в трех новых работах, опубликованных в журнале The Astrophysical Journal, команда опиралась на данные ACT Data Release 6 (DR6), состоящие из пяти сезонов наблюдений температуры и поляризации CMB.
Эта яркая "фотография" CMB, по сути, использовалась для подсветки всей материи, образовавшейся в период между сегодняшним днем и Большим взрывом. Как если бы мы фотографировали силуэт человека, но вместо лица или тела мы видим сгустки темной материи, почти как если бы свет проникал через занавес из ткани, полной сгустков и неровностей.
Новая карта
Самое известное изображение всего неба на основе CBM основано на данных, собранных зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) в период с 2001 по 2003 год. Эта миссия (которая продолжала работать до 2010 года) была основана на более ранней работе Исследователя космического фона (COBE), который собирал данные о CBM с 1989 по 1993 год. Затем появился спутник ЕКА "Планк", который измерял CBM с 2009 по 2013 год, чтобы составить карту крошечных температурных колебаний. Полученные в результате этого все более точные карты предоставили информацию об эволюции космоса, показав, какими были его начальные условия.
Новое исследование, однако, сделало шаг вперед. Астрономы ACT использовали карты для количественной оценки эволюции материи, 85% которой составляет темная материя. Для визуализации распределения этой загадочной массы команда исследовала, как ее гравитация влияет на кривизну пространства-времени между CMB и Землей. Это эффективно показало, как большие скопления массы (как видимые, так и невидимые) изменяют путь, пройденный ее светом за миллиарды лет, чтобы достичь нас.
Команда проследила, как гравитационное притяжение огромных структур темной материи может деформировать CMB во время его 14-миллиардного путешествия к нам. Полученная карта показала "строительные леса" темной материи, которая содержит видимую материю, окружает и соединяет галактики и скопления галактик.
Подтверждение космологических теорий и “напряжение Хаббла”
Блейк Шервин, соавтор исследования и профессор космологии Кембриджского университета, рассказывает, как полученные результаты подтверждают теоретические космологические модели. Во-первых, распределение темной материи в небе точно соответствует предсказаниям наших теорий.
Кроме того, измерения показывают, что и нерегулярность Вселенной, и скорость, с которой она растет после 14 миллиардов лет эволюции, в точности соответствуют ожиданиям нашей стандартной модели космологии, основанной на теории Эйнштейна.
Полученные результаты также могут дать новую информацию о так называемом напряжении Хаббла. Это связано с расхождением в значении постоянной Хаббла при измерении с помощью CMB (67 км/с/Мпк) и местного звездного света (73 км/с/Мпк). Эта постоянная указывает на скорость, с которой расширяется наша Вселенная.
Такое расхождение может свидетельствовать о том, что модель Lambda CDM неверна. Если бы наши модели были неверны, это означало бы, что мы не имеем представления о том, как расширяется наша Вселенная и какую материю она содержит. Однако последние результаты команды ACT позволили точно оценить размер и распределение сгустков темной материи и установить, что они полностью соответствуют модели Lambda CDM.
Директор ACT Сюзанна Стаггс, чья команда построила детекторы, которые собирали данные в течение последних пяти лет, считает, что их новая карта может превратить этот "кризис" в возможность:
"CMB уже известен своими беспрецедентными измерениями первозданного состояния Вселенной. Теперь у нас есть вторая карта Вселенной на ее самых ранних стадиях. Вместо "кризиса", я думаю, у нас есть необыкновенная возможность использовать различные наборы данных вместе. Наша карта включает в себя всю темную материю, начиная с момента Большого взрыва, а другие карты охватывают около 9 миллиардов лет назад, что дает нам слой, который находится гораздо ближе к нам. Мы можем сравнить эти два набора данных, чтобы узнать о росте структур во Вселенной".
Для дальнейшего продвижения в этой области большое значение будет иметь вклад миссии ЕКА "Евклид", направленной на изучение темной материи и темной энергии. Если все пойдет в соответствии с ожиданиями, то к концу года мы получим первые важные научные данные от этой необычной космической обсерватории.