Проще говоря, считается, что Темная Материя не только составляет основную массу Вселенной, но и выступает в качестве леса, на котором строятся галактики. Но чтобы найти доказательства этой загадочной, невидимой массы, ученые вынуждены полагаться на косвенные методы, подобные тем, которые использовались для изучения черных дыр. По сути, они измеряют, как присутствие Темной Материи влияет на звезды и галактики в его окрестностях.
На сегодняшний день астрономам удалось найти доказательства скопления темной материи вокруг средних и больших галактик. Используя данные из Космический телескоп Хаббл и новая техника наблюдения, группа астрономов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и НАСА обнаружила, что темная материя может образовывать гораздо меньшие скопления, чем считалось ранее. Эти результаты были представлены на этой неделе на 235-м заседании Американского астрономического общества (AAS).
Наиболее широко принятая теория о Темной Материи утверждает, что она не состоит из того же материала, что и барионная (она же нормальная или «светящаяся» материя) - то есть протонов, нейтронов и электронов. Вместо этого предполагается, что Темная Материя состоит из какой-то неизвестной субатомной частицы, которая взаимодействует с нормальной материей только посредством гравитации, самой слабой из фундаментальных сил - остальные являются электромагнитными, сильными и слабыми ядерными силами.
Другая общепринятая теория утверждает, что Темная Материя движется медленно по сравнению с другими типами частиц и, следовательно, склонна к комкованию. В соответствии с этой идеей, Вселенная должна содержать широкий диапазон концентраций темной материи, от маленьких до больших. Однако до сих пор не наблюдалось никаких небольших концентраций.
Используя данные, полученные с помощью широкоугольной камеры 3 Хаббла (WFC3), исследовательская группа пыталась найти доказательства этих небольших скоплений, измеряя свет от ярких ядер восьми далеких галактик (или квазаров), чтобы увидеть, как на него влияют, когда он путешествует. сквозь пространство Этот метод, который обычно используется астрономами для изучения далеких галактик, звездных скоплений и даже экзопланет, известен как гравитационное линзирование.
Первоначально предсказанный Теорией Общей Относительности Эйнштейна, этот метод основан на гравитационной силе больших космических объектов, чтобы искажать и увеличивать свет от более отдаленных объектов. Даниэль Гилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который был членом группы наблюдателей, объяснил процесс следующим образом:
«Представьте, что каждая из этих восьми галактик представляет собой гигантское увеличительное стекло. Маленькие скопления темной материи действуют как маленькие трещины на увеличительном стекле, изменяя яркость и положение четырех изображений квазара по сравнению с тем, что вы ожидаете увидеть, если стекло будет гладким ».
Как и надеялся, кочка изображения показали, что свет, исходящий от этих восьми квазаров, подвергался эффекту линзирования, что согласуется с присутствием небольших скоплений вдоль линии обзора телескопа и внутри и вокруг линзирующих галактик на переднем плане. Восемь квазаров и галактик были выровнены так точно, что эффект искажения дал четыре искаженных изображения каждого квазара.
Используя сложные вычислительные программы и методы интенсивного восстановления, команда затем сравнила уровень искажения с предсказаниями того, как квазары будут выглядеть без влияния Темной Материи. Эти измерения также использовались для расчета масс концентраций темной материи, что указывало на то, что они были в 1 / 10000-1 / 100000 тысяч раз больше массы гало Темного вещества Млечного Пути.
Помимо того, что впервые наблюдаются небольшие концентрации, результаты группы подтверждают одно из фундаментальных предсказаний теории «холодной темной материи». Эта теория постулирует, что, поскольку Темная Материя является медленным (или «холодным»), она способна образовывать структуры, варьирующиеся от крошечных концентраций до огромных, которые в несколько раз превышают массу Млечного Пути.
Эта теория также утверждает, что все галактики во Вселенной сформировались в облаках Темной Материи, известных как «гало», и оказались внутри них. Вместо доказательств небольших скоплений, некоторые исследователи предположили, что Dark Matter может быть «теплым», то есть быстрым, и поэтому слишком быстрым, чтобы образовывать меньшие концентрации.
Тем не менее, новые наблюдения дают четкое доказательство того, что теория холодной темной материи и поддерживаемая ею космологическая модель - модель лямбда-холодной темной материи (? CDM) - верны. Как объяснил член команды профессор Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, эти последние кочка Наблюдения дают новое понимание природы темной материи и ее поведения.
«Мы сделали очень убедительный обсервационный тест для модели холодной темной материи, и она проходит с летающими цветами», - сказал он. «Невероятно, что после почти 30 лет работы Хаббл предоставляет передовые взгляды на фундаментальную физику и природу Вселенной, о которой мы даже не мечтали, когда телескоп был запущен».
Анна Ниренберг, исследователь Лаборатории реактивного движения НАСА, возглавлявшая кочка Опрос, объяснил далее:
Охота на темную материю, лишенную звезд, оказалась сложной задачей. Исследовательская группа Хаббла, однако, использовала технику, в которой им не нужно было искать гравитационное влияние звезд как индикаторов темной материи. Команда нацелена на восемь мощных и отдаленных космических «уличных фонарей», называемых квазарами (области вокруг активных черных дыр, которые излучают огромное количество света). Астрономы измерили, как свет, испускаемый кислородом и неоновым газом, вращающимся вокруг каждой из черных дыр квазара, искажается гравитацией массивной галактики переднего плана, которая действует как увеличительная линза.
Количество небольших структур, обнаруженных в исследовании, дает больше подсказок о природе частиц темной материи, так как их свойства будут влиять на количество сгустков. Тем не менее, тип частицы, из которой состоит Темная Материя, пока остается загадкой. К счастью, развертывание космических телескопов следующего поколения в ближайшем будущем, как ожидается, поможет в этом отношении.
К ним относятся космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST), оба из которых являются инфракрасными обсерваториями, которые планируется увеличить в этом десятилетии. Благодаря своей сложной оптике, спектрометрам, большому полю зрения и высокому разрешению эти телескопы смогут наблюдать целые области пространства, затронутые массивными галактиками, скоплениями галактик и соответствующими им гало.
Это должно помочь астрономам определить истинную природу Темной Материи и то, как выглядят составляющие ее частицы. В то же время астрономы планируют использовать эти же инструменты, чтобы больше узнать о Темной Энергии, еще одной великой космологической загадке, которая пока может быть изучена только косвенно. Впереди захватывающие времена!
