Хаббл обнаружил небольшие скопления темной материи
Результат подтверждает одно из фундаментальных предсказаний широко принятой теории «холодной темной материи»
Ранее астрономы обнаруживали скопления темной материи вокруг галактик крупных и средних размеров. Теперь, используя данные Хаббла и новую технику наблюдения, астрономы обнаружили, что темная материя образует гораздо меньшие скопления, чем ранее известные.
Этот результат подтверждает одно из фундаментальных предсказаний широко принятой теории «холодной темной материи».
Все галактики, согласно этой теории, заключены в облака темной материи. Сама темная материя состоит из медленно движущихся или «холодных» частиц, которые собираются вместе, образуя структуры, от сотен тысяч раз превышающих массу галактики Млечный путь до образований, массой несколько сотен тонн. (В этом контексте «холод» относится к скорости частиц.)
Темная материя — это невидимая форма материи, которая составляет основную массу вселенной и создает «леса», на которых строятся галактики. Хотя астрономы не могут видеть темную материю, они могут косвенно определять ее присутствие, измеряя, как ее гравитация влияет на звезды и галактики. Обнаружение мельчайших образований темной материи путем поиска встроенных звезд может быть трудным или невозможным, поскольку в них содержится очень мало звезд.
В то время как концентрации темной материи были обнаружены вокруг больших и средних галактик, до сих пор не было обнаружено гораздо меньших скоплений темной материи.
В отсутствие данных наблюдений за такими мелкими скоплениями некоторые исследователи разработали альтернативные теории, в том числе «теплую темную материю». Эта идея предполагает, что частицы темной материи движутся, перемещаясь слишком быстро, чтобы слиться и образовать меньшие концентрации. Новые наблюдения не подтверждают этот сценарий, обнаруживая, что темная материя «холоднее», чем это должно быть в теории альтернативной теплой темной материи.
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.
Ученые нацелились на восемь мощных и отдаленных квазаров (области вокруг активных черных дыр, которые излучают огромное количество света). Астрономы измерили, как свет, испускаемый кислородом и неоном, вращающимся вокруг каждой из черных дыр квазаров, искажается гравитацией массивной галактики переднего плана, которая действует как увеличительная линза.
Сгустки темной материи находятся вдоль линии обзора космического телескопа Хаббл до квазара, а также внутри и вокруг галактики на переднем плане. Присутствие скоплений темной материи изменяет кажущуюся яркость и положение каждого искаженного изображения квазара, деформируя и слегка изгибая свет, когда он перемещается от далекого квазара к Земле, как представлено волнистыми линиями на графике.
Астрономы сравнили эти измерения с предсказаниями того, как будут выглядеть изображения квазара без влияния скоплений темной материи. Исследователи использовали эти измерения, чтобы вычислить массы крошечных концентраций темной материи. Четырехкратные изображения квазара редки, потому что фоновый квазар и передний план галактики требуют почти идеального выравнивания. © NASA
Используя этот метод, ученые обнаружили скопления темной материи вдоль линии визирования телескопа к квазарам, а также внутри и вокруг промежуточных линзирующих галактик.
Концентрации темной материи, обнаруженные Хабблом, составляет от 1/10 000 до 1/100 000 массы темной материи Млечного Пути. Многие из этих крошечных образований, скорее всего, не содержат даже небольших галактик, и поэтому их было бы невозможно обнаружить традиционным методом поиска встроенных звезд.
Количество малых структур, обнаруженных в ходе исследования, дает больше информации о природе темной материи. «Свойства частиц темной материи влияют на то, сколько сгустков образуется», — объясняют исследователи. «Это означает, что вы можете узнать о физике частиц темной материи, подсчитав количество маленьких сгустков.»
Однако тип частиц, составляющих темную материю, до сих пор остается загадкой.
«В настоящее время нет прямых доказательств существования частиц темной материи. Физики элементарных частиц даже не стали бы говорить о темной материи, если бы космологи не сказали, что она существует, основываясь на наблюдениях ее эффектов. Когда мы, космологи, говорим о темной материи, мы спрашиваем: «как она управляет появлением Вселенной и в каких масштабах?» — задаются вопросом ученые.
Астрономы смогут проводить последующие исследования темной материи с помощью будущих космических телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба и инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST).
Уэбб сможет эффективно получать эти измерения для всех известных четырехлинзовых квазаров. Острота и большое поле зрения WFIRST помогут астрономам вести наблюдения за всей областью пространства, подверженной воздействию огромного гравитационного поля массивных галактик и скоплений галактик. Это поможет исследователям обнаружить еще много таких редких систем и лучше узнать природу темной материи.
Daniel Gilman, et al. Warm dark matter chills out: constraints on the halo mass function and the free-streaming length of dark matter with 8 quadruple-image strong gravitational lenses. DOI: 10.1093/mnras/stz3480 .