Раскрыто распределение темной материи возле галактик 12 миллиардов лет назад

Ученые исследовали природу темной материи, окружающей галактики, какими они были 12 миллиардов лет назад, на миллиарды лет раньше во времени, чем когда-либо прежде. Полученные выводы предлагают заманчивую возможность того, что фундаментальные правила космологии могут отличаться при изучении ранней истории нашей Вселенной.  

Увидеть то, что произошло настолько давно, очень сложно. Поскольку скорость света конечна, мы видим далекие галактики не такими, какие они есть сегодня, а такими, какими они были миллиарды лет назад. Но еще сложнее наблюдать темную материю, которая не излучает свет.

Рассмотрим далекую исходную галактику, даже более далекую, чем целевая галактика, чью темную материю вы хотите исследовать. Как и предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, гравитационное притяжение галактики переднего плана, включая ее темную материю, искажает окружающее пространство и время.

Когда свет от исходной галактики проходит через это искажение в пространстве-времени, он изгибается, изменяя видимую форму галактики. Чем больше количество темной материи, тем больше результирующее искажение. Таким образом, астрономы могут измерить количество темной материи вокруг галактики переднего плана («линзовой» галактики) по искажению.

Однако за определенным порогом ученые сталкиваются с проблемой. В самых глубоких уголках Вселенной галактики невероятно тусклые. В результате, чем дальше от Земли мы смотрим, тем менее эффективной становится техника гравитационного линзирования. Поскольку искажение линзы в большинстве случаев малозаметно и его трудно увидеть, для обнаружения сигнала необходимо много фоновых галактик.

Большинство предыдущих исследований застряли в тех же пределах. Не имея возможности обнаружить достаточно далекие исходные галактики для измерения искажения, они смогли проанализировать только темную материю не более 8-10 миллиардов лет назад. Эти ограничения оставили открытым вопрос о распределении темной материи между этим временем и 13,8 миллиардами лет назад, временем возникновения Вселенной

Чтобы преодолеть эти трудности и наблюдать за темной материей из самых дальних уголков Вселенной, группа исследователей под руководством Хиронао Миятакэ из Университета Нагоя в сотрудничестве с Токийским университетом, Национальной астрономической обсерваторией Японии и Принстонским университетом использовала другой источник фонового света, микроволны, выпущенные самим Большим Взрывом.

Сначала, используя данные наблюдений Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), команда идентифицировала 1,5 миллиона галактик-линз, используя видимый свет, выбранный для наблюдения 12 миллиардов лет назад.

Затем, чтобы преодолеть нехватку света галактики еще дальше, они использовали микроволны космического микроволнового фона (CMB), остаточного излучения Большого взрыва. Используя микроволны, наблюдаемые спутником Planck Европейского космического агентства, ученые измерили, как темная материя вокруг галактик-линз искажает микроволны.

После предварительного анализа ученые вскоре поняли, что у них есть достаточно большая выборка, чтобы обнаружить распределение темной материи. Объединив образец большой далекой галактики и линзовые искажения в реликтовом излучении, они обнаружили темную материю еще дальше во времени, 12 миллиардов лет назад. Это всего через 1,8 миллиарда лет после начала Вселенной, и поэтому эти галактики видны вскоре после того, как они впервые сформировались.

«Я был счастлив, что мы открыли новое окно в ту эпоху», — сказал Хиронао Миятаке. «12 миллиардов лет назад все было совсем иначе. Вы видите больше галактик, находящихся в процессе формирования, чем сейчас; также начинают формироваться первые скопления галактик». Скопления галактик состоят из нескольких десятков или сотен галактик, связанных гравитацией с большим количеством темной материи.

«Этот результат дает очень последовательную картину галактик и их эволюции, а также темной материи в галактиках и вокруг них и того, как эта картина меняется со временем».

Одно из самых захватывающих открытий исследования было связано с распределением (комковатостью) темной материи. Согласно стандартной космологической теории, модели Lambda-CDM, флуктуации реликтового излучения образуют скопления плотно упакованного вещества, притягивая окружающее вещество под действием гравитации.

Это создает неоднородные скопления, которые образуют звезды и галактики в этих плотных областях. Выводы группы показывают, что их измерение распределения темной материи было ниже, чем предсказывает модель Lambda-CDM.

Астрономы  с энтузиазмом относится к возможностям. «Наше открытие все еще не определено. Но если это правда, оно предполагает, что вся модель ошибочна, если вы углубитесь в прошлое. Это захватывающе, потому что, если результат сохранится после уменьшения неопределенностей, это может предложить улучшение модели, которое может дать представление о природе самой темной материи».

В этом исследовании использовались данные существующих телескопов, в том числе Planck и Subaru. Группа ученых рассмотрела только треть данных Subaru Hyper Suprime-Cam Survey. Следующим шагом будет анализ всего набора данных, что должно позволить более точно измерить распределение темной материи.

В будущем исследовательская группа рассчитывает использовать расширенный набор данных, такой как Legacy Survey of Space and Time (LSST) будущей обсерватории имени Веры С. Рубин, чтобы исследовать больше самых ранних частей космоса. «LSST позволит нам наблюдать за половиной неба», — сказал Хиронао Миятаке. «Я не вижу никаких причин, по которым мы не могли бы увидеть распределение темной материи 13 миллиардов лет назад».

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.