Карта темной материи показывает скрытые мосты между галактиками

Новая карта темной материи в локальной вселенной показывает несколько ранее не обнаруженных нитевидных структур, соединяющих галактики.

Карта, разработанная с использованием машинного обучения международной группой астрономов, может позволить изучить природу темной материи, а также историю и будущее нашей локальной вселенной.

Темная материя — неуловимая субстанция, составляющая 80% Вселенной. Она также представляет собой скелет для того, что космологи называют космической паутиной, крупномасштабной структуры Вселенной, которая из-за своего гравитационного воздействия определяет движение галактик и другого космического материала.

Однако распределение локальной темной материи в настоящее время неизвестно, поскольку ее нельзя измерить напрямую. Вместо этого исследователи должны сделать вывод о ее распределении, основываясь на гравитационном влиянии на другие объекты во Вселенной, такие как галактики.

«По иронии судьбы легче изучать распределение темной материи гораздо дальше, потому что оно отражает очень далекое прошлое, которое гораздо менее сложно», — говорят ученые. «Со временем, по мере того, как крупномасштабная структура Вселенной выросла, сложность Вселенной увеличилась, поэтому по своей природе становится труднее проводить измерения темной материи локально».

Предыдущие попытки составить карту космической паутины начинались с модели ранней Вселенной, а затем моделировались ее эволюцию на протяжении миллиардов лет. Однако этот метод требует больших вычислительных ресурсов и пока не может дать достаточно подробных результатов, чтобы увидеть локальную вселенную.

В новом исследовании ученые использовали совершенно другой подход, используя машинное обучение для построения модели, которая использует информацию о распределении и движении галактик для прогнозирования распределения темной материи.

Исследователи построили и обучили свою модель, используя большой набор симуляций галактик под названием Illustris-TNG, который включает галактики, газы, другую видимую материю, а также темную материю. Команда специально отобрала смоделированные галактики, сопоставимые с галактиками в Млечном Пути, и в конечном итоге определила, какие свойства галактик необходимы для предсказания распределения темной материи.

«Получив определенную информацию, модель может по существу заполнить пробелы на основе того, на что она смотрела раньше», — говорят исследователи.

«Карта из наших моделей не идеально соответствует данным моделирования, но мы все еще можем реконструировать очень подробные структуры. Мы обнаружили, что включение движения галактик — их лучевых скоростей — в дополнение к их распределению значительно улучшило качество карты и позволило нам увидеть эти детали».

Затем исследовательская группа применила свою модель к реальным данным из локальной вселенной из каталога галактик Cosmicflow-3. Каталог содержит исчерпывающие данные о распределении и движении более 17 тысяч галактик в окрестностях Млечного Пути — в пределах 200 мегапарсек. Полученная карта локальной космической паутины опубликована в статье, появившейся 26 мая в Astrophysical Journal.

На карте последовательно воспроизводились известные видные структуры в локальной вселенной, включая «локальный лист» — область пространства, содержащую Млечный Путь, близлежащие галактики в «локальной группе» и галактики в скоплении Девы, а также «локальную пустоту». — относительно пустую область пространства рядом с локальной группой. Кроме того, она выявила несколько новых структур, требующих дальнейшего изучения, в том числе меньшие нитевидные структуры, соединяющие галактики.

Было высказано предположение, что галактики Млечный Путь и Андромеда могут медленно приближаться друг к другу, но остается неясным, могут ли они столкнуться через многие миллиарды лет. Изучение волокон темной материи, соединяющих две галактики, может дать важную информацию об их будущем.

«Поскольку темная материя доминирует в динамике Вселенной, она в основном определяет нашу судьбу», — говорят исследователи. «Таким образом, мы можем попросить компьютер разработать карту на миллиарды лет, чтобы увидеть, что произойдет в локальной вселенной. И мы можем развить модель назад во времени, чтобы понять историю нашего космического соседства».

Исследователи считают, что они могут повысить точность своей карты темной материи, добавив больше галактик. Запланированные астрономические исследования, например, с использованием космического телескопа Джеймс Уэбб, могут позволить им добавить слабые или маленькие галактики, которые еще предстоит наблюдать, и галактики, которые находятся еще дальше.