Астрофизика

Темная материя холоднее, чем мы думали - и мы знаем это благодаря крестам Эйнштейна

Новое исследование Хаббла делает нас на шаг ближе к пониманию таинственной темной материи.

Исследователи смогли косвенно обнаружить темную материю, используя эти искаженные изображения фонового квазара и его галактики.

Сгустки темной материи могут быть на удивление маленькими - и холодными.

Астрономы любят давать странные имена вещам, но "темная материя" довольно понятна. Это материя, или мы так думаем, потому что она оказывает гравитационное притяжение. Она также темная, потому что мы не можем ее видеть (хотя мы наблюдаем ее эффект) - и это почти все, что мы знаем о ней.

По оценкам, темная материя составляет приблизительно 26,8% материи во вселенной, и все же мы на самом деле не знаем, что это такое. Но новое исследование может помочь нам в этом отношении.

Как бы странно это ни звучало, темная материя, похоже, “сгущается”. Оказывается, эти комки могут быть гораздо меньше, чем мы думали. Это подтверждает фундаментальное предсказание о темной материи и может помочь исследователям сделать важный прорыв в понимании этого загадочного явления.

Темная охота

Темная материя невидима для всех наших инструментов. Она не испускает свет или любое обнаруживаемое излучение. Поэтому, изучая темную материю, астрофизики ищут ее эффекты.

Самым распространенным из этих эффектов является его гравитационный эффект. Согласно таким наблюдениям, темная материя оказывается гравитационным "клеем", удерживающим галактики вместе.

Мы не знаем, из каких частиц будет состоять темная материя, но почти наверняка это будут не те электроны, протоны и нейтроны, с которыми мы знакомы. Популярная теория гласит, что из каких бы частиц он ни состоял, эти частицы не будут двигаться очень быстро. Это помогло бы объяснить, почему темная материя имеет тенденцию собираться вместе, и в то время как концентрация темной материи во Вселенной может так сильно варьироваться.

Если бы это было так, это привело бы к “холодной” темной материи. Конкурирующая теория поддерживает идею "горячей" темной материи, где частицы движутся с релятивистскими скоростями (близкими к скорости света).

Сгустки темной материи могут помочь решить эту дилемму. "Горячая" темная материя не позволила бы образоваться маленьким сгусткам, они просто двигаются слишком быстро, чтобы позволить образоваться маленьким кускам. Таким образом, если бы мы могли обнаружить небольшие сгустки, это придало бы поддержку гипотезе “холодной” темной материи.

Гравитационное линзирование

Поэтому вместо этого исследователи обратились к старому инструменту: гравитационному линзированию.

Гравитационное линзирование, как следует из названия, является методом использования гравитационного притяжения в качестве линзы. Все имеет гравитационное притяжение, но объекты, которые действительно массивны, могут искажать даже сам свет. Хотя это часто очень тонкое искажение, оно все еще обнаруживается.

Подумайте об этом так: если мы смотрим на далекую, яркую галактику через телескоп, и другой массивный объект находится между нашим телескопом и галактикой, его гравитация может действовать как линза, искривляя свет. Именно это и было сделано в данном исследовании.

Схема, иллюстрирующая принцип гравитационного линзирования. Предоставлено: NASA, ESA и D. Player / STScI.

Как вы, возможно, догадались, это требует очень специфического выравнивания - что означает, что гравитационные линзы должны быть найдены - и они могут не существовать в тех направлениях, в которых мы хотим их видеть.

Но иногда, даже очень редко, вовлеченные объекты выстраиваются таким образом, что вокруг линзованного объекта возникают четыре искаженных изображения. Это называется крестом Эйнштейна. Именно здесь все становится по-настоящему интересным.

Вам может быть интересно, что все это имеет отношение к темной материи. Ну что ж, гравитационное влияние сгустков темной материи должно быть заметным — даже для более мелких сгустков.

Команда использовала космический телескоп Хаббла для изучения восьми перекрестных квазаров Эйнштейна - чрезвычайно ярких ядер галактик, питаемых сверхмассивными черными дырами. Эти квазары были гравитационно линзованы массивными галактиками переднего плана.

"Представьте, что каждая из этих восьми галактик представляет собой гигантское увеличительное стекло", - сказал астрофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Даниэль Гилман, один из авторов исследования.

"Маленькие скопления темной материи действуют как маленькие трещины на лупе, изменяя яркость и положение четырех квазарных изображений по сравнению с тем, что вы ожидали бы увидеть, если бы стекло было гладким".

Восемь квазаров и галактик были выровнены настолько точно, что эффект искривления вызвал четыре искаженных изображения каждого квазара. Такие выравнивания очень редки и были удачливы для этого исследования.

Присутствие сгустков темной материи изменяло видимую яркость и положение каждого искаженного квазарного изображения. Исследователи измерили, как искажается свет линзой, а затем посмотрели на яркость и положение каждого из изображений, сравнивая их с предсказаниями того, как Кресты Эйнштейна будут выглядеть без темной материи. Эти сравнения позволили им вычислить массу сгустков темной материи, вызывающих искажение.

Согласно полученным результатам, небольшие сгустки темной материи могут существовать — и эти наблюдения подтверждают существование более холодной темной материи.

"Темная материя холоднее, чем мы знали на меньших масштабах”, - сказала Анна Ниренберг из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, руководитель исследования Хаббла. "Астрономы и раньше проводили другие наблюдательные испытания теорий темной материи, но наша дает самые убедительные доказательства присутствия небольших сгустков холодной темной материи. Объединив последние теоретические предсказания, статистические инструменты и новые наблюдения Хаббла, мы теперь имеем гораздо более надежный результат, чем это было возможно ранее.”

Это не исключает возможности существования более горячей темной материи, но придает больший вес более холодной теории. Чтобы сделать дело еще более сложным, существует также смешанная модель темной материи, которая включает в себя оба типа. Однако это почти наверняка не последнее исследование такого типа.

Астрономы смогут проводить последующие исследования темной материи с использованием будущих космических телескопов НАСА, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп, оба являются инфракрасными обсерваториями.

Примечательно, что после десятилетий службы телескоп Хаббл все еще предоставляет чрезвычайно полезную информацию, позволяющую нам понять аспекты окружающей вселенной.

Что же касается темной материи, то мы не разгадаем ее тайны ни сегодня, ни завтра. Мы все еще делаем маленькие шаги, но по одному за раз, мы приближаемся к пониманию того, что это на самом деле — и, возможно, тогда, это больше не будет темной материей.

Команда представит свои результаты на 235-м заседании Американского астрономического общества в Гонолулу.

Читайте Новая Наука в
Back to top button