Темная материя в 3D

Международная группа ученых совершила прорыв в изучении крупномасштабной структуры Вселенной

Изображение скопления галактик MACS J0717.5+3745 и распределение темной массы (голубой цвет)

Гигантский сгусток темной материи был изучен астрономами в трехмерном пространстве. Используя наблюдения с нескольких телескопов, в том числе и с космического«Хаббла», авторы работы пришли к выводу, что в таких структурах может находиться половина массы Вселенной.

Согласно современному представлению о Вселенной, только 4% от всего вещества приходится на барионную материю – из которой состоят звезды, планеты и мы с вами. Оставшиеся 23 и 73% приходятся на темную материю и темную энергию соответственно. Темная материя – особая форма материи, которая не излучает электромагнитные волны, однако проявляет себя гравитационно. Необходимость ее существования следует, в частности, и из современных космологических представлений. Они предсказывают наличие слабых неоднородностей плотности темного вещества в самом начале жизни Вселенной. В ходе эволюции Вселенной эти неоднородности увеличивались за счет слияния все большего количества структур. Численное моделирование этого процесса предсказывает, что он должен происходить вдоль выделенных направлений.

Таким образом, в конечном счете мы получаем Вселенную, похожую на губку, – состоящую из большого числа вытянутых сгустков темной материи – филаментов, соединенных между собой.

Крупномасштабная структура Вселенной -- результат моделирования проекта Millennium.

Каждый такой сгусток содержит в себе скопление галактик, поскольку изначально темная материя была перемешана с барионным веществом, которое эволюционировало вместе с ней, а затем образовало отдельные комплексы. Из этих комплексов и зародились галактики.

Хотя сгустки, или филаменты (от английского filament –«нить, волокно»), обладают гигантскими размерами, их очень сложно наблюдать, поскольку основную их массу составляет темное вещество.«Космические филаменты очень протяженные и диффузные, поэтому их очень сложно даже обнаружить, не говоря уже о трехмерном исследовании», – подчеркивает сложность проделанной работы Матильда Джозак, ведущий автор статьи, которая принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

В своей работе авторы использовали изображения высокого разрешения областей, окружающих массивное скопление галактик MACS J0717.5+3745, полученные на космическом телескопе имени Хаббла и с помощью расположенных на Гавайях 8-метровом«Субару» и 3,6-метровом CFHT(канадо-франко-гавайский телескоп). Кроме того, они задействовали и спектры галактик из обсерватории имени Кека(где находится 10-метровый телескоп) и обсерватории GEMINI(два телескопа с диаметром зеркала 8 м, один из которых расположен на Гавайях, а другой – в Чили).

Двухмерную карту распределения массы филамента авторы получили при помощи анализа данных по слабому гравитационному линзированию. Дело в том, что, согласно общей теории относительности Эйнштейна, луч света отклоняется при прохождении в поле тяготения массивных объектов.

Поскольку сгустки темной материи хотя и не видны напрямую, но обладают массой, свет от далеких галактик фона отклоняется в их гравитационном поле, и их изображения оказываются деформированными. На основе вида этих деформаций авторы статьи и смогли рассчитать распределение массы темного сгустка.

Конечно, это было бы невозможно без изображений высокого качества, полученных на телескопе«Хаббл».

Получив двухмерную карту сгустка, авторы не остановились на достигнутом и задействовали спектральные данные и карты показателей цвета галактик(частное изображений галактик в двух разных диапазонах длин волн, которое меняется в зависимости от расстояния до далеких объектов), для того чтобы оценить трехмерное распределение.

Таким образом, международной команде ученых удалось изучить трехмерную структуру темного филамента, избавившись от всех неопределенностей, которые возникают при проектировании трехмерного объекта на плоскость.

В частности, ученые оценили ориентацию сгустка и его реальную, а не проецированную протяженность, которая составила примерно 60 млн световых лет. Такой размер велик даже по космическим меркам. Для сравнения: характерный оптический диаметр Млечного Пути составляет 80 тыс. световых лет, а расстояние до ближайшей к нам некарликовой галактики, туманность Андромеды, – 2,6 млн световых лет. Если оценка массы этого филамента характерна и для других подобных объектов, то в этих структурах должно содержаться около половины всей массы Вселенной. Кроме того, по оценкам авторов статьи, на массу звезд, населяющих галактики, находящиеся внутри темного сгустка, приходится всего 1% от полной массы филамента, что хорошо согласуется с другими измерениями, сделанным в массивных скоплениях галактик.