Наблюдение темной материи, сделанное на краю Вселенной
Японские исследователи смогли изучить природу темной материи, окружающей галактики, такой, какой она была 12 миллиардов лет назад, отодвинув сроки наблюдения за этой загадочной субстанцией, доминирующей во Вселенной, на миллиарды световых лет. Их исследование опубликовано в журнале .
Темная материя и гравитационное линзирование
Давайте сначала рассмотрим эти два момента. Начнем с темной материи. Мы знаем, что скорость, с которой звезда должна двигаться, чтобы оставаться на своей орбите, зависит от силы гравитации, которая тянет ее к центру галактики, и, следовательно, от массы галактики. Со временем стало очевидно, что видимой материи недостаточно, чтобы удерживать звезды в нашей галактике на своих орбитах. Поэтому было высказано предположение, что существует дополнительная экзотическая форма материи, которая может объяснить эти движения. Это вещество, которое не излучает, не поглощает и не отражает свет, называется "темной материей". В настоящее время считается, что она составляет около 26,8% Вселенной.
Перейдем к эффекту гравитационного линзирования. Мы знаем, что гравитация (и, следовательно, масса) искажает саму ткань пространства-времени. Чем массивнее объект, тем больше искривление ткани пространства-времени. В этих условиях свет от фоновой галактики, проходящий через эту область, неизбежно будет искривлен, а также усилен. Этот эффект позволяет визуализировать далекие галактики, которые в противном случае были бы невидимы.
Давайте вернемся к нашему исследованию. В ходе своих анализов, направленных на определение истинной природы темной материи, исследователи иногда полагаются на явление гравитационного линзирования. С практической точки зрения, гравитационное притяжение галактики переднего плана, включая ее темную материю, будет искажать свет фоновой галактики. Чем больше темной материи, тем сильнее искажение. Таким образом, по этому искажению ученые могут измерить количество темной материи вокруг галактики переднего плана ("линзирующей" галактики).
После определенного момента галактики становятся невероятно тусклыми. В результате чем дальше в прошлое, тем менее эффективной становится эта техника. Не имея возможности обнаружить достаточно удаленные галактики-источники, чтобы измерить искажение их света, большинство предыдущих исследований смогли проанализировать темную материю только от восьми до десяти миллиардов лет назад, не более. Эти ограничения оставили открытым вопрос о распределении темной материи между тем временем и Большим взрывом около 13,7 млрд. лет назад.
Чтобы преодолеть эти трудности, команда под руководством Хиронао Миятаке из Университета Нагои воспользовалась другим источником: микроволнами космического микроволнового фона, остатками излучения после Большого взрыва. Согласно стандартной модели космологии, это излучение было испущено примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда наблюдаемая Вселенная была еще намного меньше, плотнее и горячее, чем сегодня.
Для этой работы исследователи сначала использовали данные наблюдений Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), чтобы определить 1,5 миллиона "линзированных галактик", которые были видны 12 миллиардов лет назад, всего через 1,7 миллиарда лет после начала Вселенной. Используя спутник Европейского космического агентства (ESA) Planck, команда измерила, как темная материя вокруг этих галактик искажает эти знаменитые микроволны.
Впервые это загадочное, но очень важное вещество было обнаружено на таком большом расстоянии.
Один из самых интересных результатов этого исследования связан с комкованием этой материи. Согласно стандартной теории космологии, , тонкие флуктуации в космическом микроволновом фоне образуют скопления плотной материи, притягивая окружающую материю под действием гравитации. Это создает неоднородные скопления, в которых формируются звезды и галактики в этих плотных регионах. Результаты группы показывают, что измеренное ими скопление было меньше, чем предсказанное моделью Лямбда-CDM.
Если результаты исследования подтвердятся, это будет означать, что вся модель может быть неполноценной, чем дальше в прошлое, тем больше. Уточненная модель может дать астрономам большее представление о природе темной материи.
Обратите внимание, что эта работа не завершена. Исследователи изучили только треть данных обзора Subaru Hyper Suprime-Cam. Следующим шагом будет анализ всего набора данных, что потенциально позволит получить более точную оценку распределения темной материи.