Спостережні дані, отримані за допомогою Космічного телескопа імені Габбла та Дуже великого телескопа (Very Large Telescope, VLT) Європейської південної обсерваторії в Чилі, дали змогу виявити, що теоретичні моделі темної матерії не містять якоїсь важливої складової. Цей невідомий, залишений без уваги теоретиками, елемент може дозволити пояснити несподівано виявлену розбіжність: спостережні дані про концентрацію темної матерії в масивних скупченнях галактик не відповідають теоретичним комп’ютерним моделям її розподілу в таких скупченнях. Нові висновки вказують на те, що деякі незначні концентрації темної матерії спричиняють ефекти лінзи, що в 10 разів сильніші, ніж очікувалося.
Темна матерія — це невидимий «клей», який утримує зорі, пил і газ разом у галактиці. Ця загадкова субстанція становить більшість маси галактик і формує основу масштабної структури нашого всесвіту. Оскільки темна матерія не випромінює, не поглинає і не відбиває світло, про неї відомо лише завдяки її гравітаційній взаємодії з видимою речовиною в космосі. Астрономи та фізики все ще намагаються з’ясувати природу темної матерії.
Скупчення галактик, наймасивніші та відносно нещодавно утворені структури у Всесвіті, також є найбільшими сховищами темної матерії. Скупчення складаються з окремих галактик-членів, які утримуються разом, головно, завдяки гравітації темної матерії.
«Скупчення галактик — це ідеальна лабораторія, в якій можна вивчити, чи правильно нинішні моделі будови Всесвіту відтворюють те, що ми спостерігаємо, як наслідок гравітаційної взаємодії його об’єктів», — сказав Массімо Менеґетті (Massimo Meneghetti) з Обсерваторії астрофізики та космічної науки в Болоньї Національного інституту астрофізики (Istituto Nazionale di Astrofisica, INAF) Італії. Він є головним автором дослідження, результати якого 11 вересня поточного року оприлюднив журнал Science.
«Ми виконали аналіз великого обсягу даних у цьому дослідженні, і ми впевнені: ця невідповідність свідчить про те, що якийсь фізичний компонент відсутній або в моделюванні, або в нашому розумінні природи темної матерії», — додав Менеґетті.
«Існує особливість реального Всесвіту, яку ми просто не враховуємо в наших сучасних теоретичних моделях», — сказав Пріямвада Натараджан (Priyamvada Natarajan) з Єльського університету в США, один із впливових теоретиків цієї групи дослідників. «Це може вказувати на прогалину в нашому теперішньому розумінні природи темної матерії та її властивостей, оскільки ці важливі дані дали нам змогу дослідити докладний розподіл темної матерії на найменших масштабах».
На цьому знімку від Космічного телескопа імені Габбла показано масивне скупчення галактик MACSJ 1206. На ньому видно дуги та розмиті риски — це спотворені зображення далеких фонових галактик. Ці спотворення спричинені темною матерією скупчення, гравітація якої згинає та посилює світло від далеких галактик за рахунок ефекту, який називається гравітаційним лінзуванням. Це явище дає змогу астрономам вивчати далекі галактики, які в іншому разі були б занадто слабкими, щоб їх побачити.
Астрономи виміряли кількість гравітаційних лінз, спричинених цим скупченням, щоб скласти докладну мапу розподілу темної матерії в ньому. Темна матерія — це невидимий «клей», який утримує вкупі зорі всередині галактики і становить основну масу речовини у Всесвіті.
Зображення від «Габбла» — це поєднання спостережних даних у видимому та інфрачервоному світлі, отриманих у 2011 році за допомогою приймачів «Вдосконалена камера для оглядів» (Advanced Camera for Surveys) та «Ширококутна камера 3» (Wide Field Camera 3). Фото з сайту www.spacetelescope.org.
Розподіл темної матерії в скупченнях визначали на підставі вимірювання міри заломлення світла — ефекту гравітаційного лінзування, який вона спричиняє. Гравітація темної матерії, що міститься в скупченнях, підсилює і заломлює світло від далеких фонових об’єктів. Цей ефект спричиняє спотворення видимих форм фонових галактик, які видно на тлі зображень скупчень галактик. Гравітаційне лінзування часто дає кілька зображень однієї й тієї віддаленої галактики.
Що вища концентрація темної матерії в скупченні, то сильнішим є її ефект лінзи. Наявність менших за розмірами скупчень темної матерії, пов’язаних з окремими скупченими галактиками, підвищує рівень спотворень. У якомусь сенсі скупчення галактик діє як широкомасштабна лінза, в яку вбудовано багато менших лінз.
Космічний телескоп імені Габбла отримав чіткі зображення за допомогою Ширококутної камери 3 (Wide Field Camera 3) та Вдосконаленою камерою для оглядів (Advanced Camera for Surveys). Поєднавши ці зображення зі спектрами скупчень галактик, отримані за допомогою Дуже великого телескопа, науковці створила докладну мапу розподілу темної матерії. Вимірявши спотворення, спричинені ефектом гравітаційного лінзування, астрономи змогли виявити розподіл і визначити кількість темної матерії. Три основні скупчення галактик, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 та Abell S1063, були частиною двох досліджень, які астрономи виконували за допомогою Космічного телескопа імені Габбла: «Межові поля» (The Frontier Fields) у 2013—2017 роках та «Огляд з “Габблом” лінзування скупчень та наднових» (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble, CLASH) протягом 2010—2012 рр.
На цьому знімку від Космічного телескопа імені Габбл показано скупчення галактик MACS J0416.1–2403. Це одне із шести скупчень, які вивчали у рамках виконання «Габблом» спостережної програми «Межові поля» (The Frontier Fields). Ця програма прагне проаналізувати розподіл маси у цих величезних скупченнях та використати ефект гравітаційного лінзування цих скупчень, щоб заглянути ще глибше у далекий Всесвіт.
Група дослідників використовувала майже 200 зображень віддалених галактик, світло яких було зігнуте й підсилене цим величезним скупченням, щоб виміряти загальну масу скупчення значно точніше, ніж це робили будь-коли раніше. Фото з сайту www.spacetelescope.org.
На подив науковців, крім яскравих дуг і витягнутих рисок далеких галактик, створених кожним скупченням, як гравітаційною лінзою, на зображеннях від «Габбла» також несподівано було виявлено дуги меншого розміру та спотворені зображення. Вони містилися неподалік від центра кожного скупчення, де розташовані наймасивніші галактики. Дослідники вважають, що внутрішні лінзи спричинені силою тяжіння щільних концентрацій матерії всередині окремих галактик скупчення. Далі на підставі спектроскопічних спостережень науковці виміряли швидкості зір, що обертаються всередині кількох скупчених галактик, щоб встановити їхні маси.
«Дані від “Габбла” та VLT забезпечили дивну синергію», — зауважив учасник дослідження П’єро Розаті (Piero Rosati) з Феррарського університету в Італії, який керував спектроскопічними вимірюваннями. «Ми змогли ототожнити галактики з кожним скупченням і оцінити відстань до них». «Швидкість зір дала нам оцінку маси кожної окремої галактики, зокрема й кількості темної матерії», — додав П’єтро Бергаміні (Pietro Bergamini) з Обсерваторії астрофізики та космічних наук INAF в Болоньї, який також брав участь у дослідженні.
Поєднавши зображення від «Габбла» та спектроскопію від VLT, астрономи змогли ідентифікувати десятки зображень одних і тих галактик, утворені завдяки ефекту гравітаційного лінзування. Це дало змогу скласти добре відкалібровану мапу розподілу маси темної матерії в кожному скупченні з високою роздільною здатністю.
Наукова група порівняла мапи темної матерії із зразками модельованих скупчень галактик зі схожими масами, розташованими приблизно на однаковій відстані. Скупчення в комп’ютерній моделі не показали жодного однакового рівня концентрації темної матерії на найменших масштабах, тобто в ділянках простору, пов’язаних з окремими галактиками в скупченні цих зоряних систем.
«Результати цього аналізу додатково показують, як спостереження та чисельні моделювання йдуть рука об руку», — сказала учасниця дослідження Елена Расіа (Elena Rasia) з Астрономічної обсерваторії INAF в Трієсті (Італія). «Завдяки вдосконаленому космологічному моделюванню ми можемо домогтися відповідності його результатів спостережним даним, які ми аналізували під час дослідження. Це уможливить докладні порівняння спостережень і теоретичних обчислень, яких раніше науковці не отримували», — додав Стефано Борґані (Stefano Borgani) з Університету Трієста в Італії.
За інф. з сайту www.spacetelescope.org
