Потерянная масса галактик найдена

Ученые решили одну из загадок современной астрофизики: обнаружили «недостающую» массу галактик, которая породила множество экзотических физических теорий.

В настоящее время астрономы наблюдают во Вселенной множество скоплений галактик – групп из сотен или тысяч галактик, связанных вместе гравитацией. Эти гигантские скопления триллионов звезд сформировались в результате «ряби» в очень ранней Вселенной: вскоре после Большого взрыва в кипящем шаре горячей плазмы сформировались крошечные квантовые колебания. Миллиарды лет спустя, эти колебания плотности вещества превратились в скопления галактик.

Однако в этой модели эволюции Вселенной есть нестыковки. Впервые проблему обнаружили с помощью наблюдений космического телескопа ЕКА Planck, который измеряет колебания космического микроволнового фонового излучения, оставшегося от Большого Взрыва. Ученые сравнили картину колебаний и сравнили их с наблюдаемыми скоплениями галактик.

Согласно результатам наблюдений, опубликованным в прошлом году, во Вселенной «не хватает» 40% массы галактических скоплений. Проще говоря, количество колебаний на заре формирования Вселенной было больше, чем ныне наблюдаемых скоплений галактик. Это противоречие заставило физиков придумывать самые невероятные объяснения, большинство из которых находятся за пределами Стандартной модели.

Так, некоторые теоретики обратились к нейтрино – призрачным субатомным частицам почти нулевой массы. Например физик Уэйн Ху (Wayne Hu) из Университета Чикаго и его коллеги опубликовали теорию о связи несоответствия с тем, что три известных типа нейтрино на самом деле значительно тяжелее, чем считалось ранее, или же существует четвертый, еще не открытый, вид нейтрино. Дополнительная масса нейтрино могла бы оказать влияние на рост первичной ряби и снизить количество скоплений галактик.

Однако, возможно, объяснение «отсутствующей» массы скоплений галактик может быть гораздо более простым. Согласно исследованию, проведенному учеными из Стэнфордского университета в Калифорнии, скопления галактик на самом деле могут иметь большую массу, чем показывают наблюдения телескопа Planck. Таким образом нет особой необходимости в придумывании новой экзотической физики. Исследование использует гравитационное линзирование, технику, которая позволяет «взвесить» скопления галактик, измеряя силу искажения света их гравитационными полями.

Работая над проектом под названием Weighing the Giants («Взвешивание гигантов»), ученые изучили с помощью телескопа Subaru и Canada–France–Hawaii 22 скопления галактик, изученных ранее космическим телескопом Planck. Измерения показали массу на 43% выше, чем масса, которую рассчитали по наблюдениям аппарата Planck. В другом исследовании под названием Cluster Lensing and Supernova Survey («Линзирование скоплений и наблюдение сверхновых») использовали космический телескоп Хаббл для измерения 25 кластеров, ранее изученных телескопом Planck. Эти наблюдения также показали превышение массы наблюдаемых скоплений, над той, что измерил Planck, на этот раз на 30%.

Наблюдение галактик с помощью гравитационного линзирования связано с неопределенностью, которая возникает из-за взаимодействия реликтового излучения с горячим газом

Судя по всему, разница в измерениях связана с неопределенностью наблюдений телескопа Planck. Дело в том, что космический телескоп обнаруживает фотоны космического микроволнового фона, которые на пути к объективам телескопа проходят через скопления галактик. Внутри галактик эти фотоны сталкиваются с энергичными электронами из облаков горячего газа, в результате чего фотоны приобретают больше энергии. Именно это воздействие добавляет неопределенности в измерения массы скоплений галактик.

Многие астрофизики полагают, что оставшиеся расхождения в измерении массы скоплений галактик будут разрешены благодаря новому телескопу Dark Energy Survey стоимостью $50 млн. Этот телескоп 9 февраля уже завершил первую трехмесячную серию наблюдений, в ходе которых были изучены сотни скоплений галактик. Анализ этих данных займет время: первые результаты ожидаются в конце 2014 года.