Таємничу темну матерію нанесли на карту космосу

Викривлення простору-часу навколо колосальної маси дозволило отримати найдетальніший вимір космічного розподілу темної матерії.

За допомогою гравітаційної лінзи команда під керівництвом космолога Кайкі Таро Іноуе з Університету Кіндай в Японії нанесла на карту загадкову форму матерії в найменшому масштабі, який ми коли-небудь бачили, з роздільною здатністю всього 30 000 світлових років.

Це може здатися великим, але якщо врахувати, що Чумацький Шлях має близько 100 000 світлових років у поперечнику, це ще більше вражає. Дослідники змогли скласти карту того, що ми навіть не можемо побачити, в масштабі, меншому за третину розміру нашої галактики, на відстані понад 7,5 мільярдів світлових років. Це дивовижно.

Нова карта темної матерії навколо MG J0414+0534. Чим яскравіший помаранчевий колір, тим щільніша темна матерія. (ALMA/ESO/NAOJ/NRAO/Inoue та ін.)

Аналіз спирався на випадкове вирівнювання космічних об’єктів, відоме як гравітаційна лінза. Просторово-часові криві навколо масивних тіл нагадують те, як батут прогинається під вашим тілом, коли ви на нього сідаєте. Якщо котити кульки по батутному мату, вони будуть рухатися не по прямій лінії, а по вигнутій, оскільки слідуватимуть за округлою поверхнею.

Подібне відбувається зі світлом, що пролітає крізь простір, коли воно стикається з викривленим простором-часом навколо масивного об’єкта, такого як галактика чи скупчення галактик. Отже, якщо за одним з цих об’єктів знаходиться, скажімо, далека галактика, світло від більш віддаленої галактики буде спотворюватись і посилюватись під час проходження крізь викривлений простір-час.

Зображення MG J0414+0534, скомпоноване з даних космічного телескопа Габбл. (Дані з архіву John McKean/HST)

Одна з причин, чому це чудово, полягає в тому, що вчені можуть вивчати ці далекі галактики в набагато більших деталях, ніж вони могли б це робити без лінзи. Але те, як світло спотворюється і розпливається, може також показати розподіл гравітації в лінзі на передньому плані.

Це, як виявляється, чудовий спосіб знайти, де ховається темна матерія. Ми не знаємо, що таке темна матерія; вона не випромінює світла, тому ми не можемо виявити її безпосередньо. Але ми знаємо, що у Всесвіті існує якась невидима маса, яка створює надлишкову гравітацію. Ми можемо виявити вплив цієї гравітації і таким чином відстежити, де ця маса ховається.

Це все ще не дасть нам відповіді на питання, що таке темна матерія, але з’ясування того, де вона знаходиться, може допомогти нам зрозуміти, як вона працює. У випадку гравітаційної лінзи, коли ви віднімаєте всю нормальну матерію (тобто галактики) з розподілу маси, розшифрованого за спотвореним світлом фонового об’єкта, те, що залишається, є темною матерією.

Схема, що ілюструє, як лінза виявляє темну матерію. (NAOJ, K. T. Inoue)

Саме це Іноуе та його колеги зробили з гравітаційно лінзованою галактикою MG J0414+0534, яка знаходиться так далеко, що її світлу знадобилося близько 11,3 мільярдів років, щоб досягти нас. Розташована трохи ближче, галактика з лінзою на передньому плані спотворила це світло і розділила його на чотири зображення.

Положення цих розділених зображень не повністю пояснюється ефектом лінзування видимих частин галактики на передньому плані. Тому, використовуючи потужний Великий міліметровий/субміліметровий масив Атакама і нову техніку аналізу, дослідники відняли вплив видимих частин галактики-лінзи на спотворене світло від MG J0414+0534, щоб отримати більш детальну карту темної матерії лінзи.

Отримана карта підтверджує теорію про те, що всередині галактик, а також у проміжках між ними існує багато згустків темної матерії, як і передбачала теорія холодної темної матерії. Вона вперше підтверджує, що ця теорія залишається узгодженою на масштабах, менших за галактики.

Це, за словами дослідників, пропонує новий потужний інструмент, який допоможе зрозуміти темну матерію. Неможливість визначити її розподіл у масштабах, менших за галактики, перешкоджала спробам обмежити її властивості. Можливість зробити це допоможе вченим звузити варіанти ідентифікації таємничої, всюдисущої маси.

Результати дослідження опубліковані в The Astrophysical Journal.