Новые наблюдения телескопа «Хаббл» подтверждают ведущую теорию о темной материи

Новая методика, использующая космический телескоп «Хаббл» и особенность общей теории относительности, позволила выявить мельчайшие скопления темной материи, когда-либо идентифицированные — в 100 000 раз легче, чем гало темной материи галактики Млечного Пути.

И эти (относительно) крошечные сгустки темной материи прекрасно согласуются с одной из ведущих теорий темной материи — то, что астрономы называют холодной темной материей.

«Мы сделали очень убедительный обсервационный тест для модели холодной темной материи, и он согласуется», — сказал астрофизик Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Мы на самом деле не знаем, что такое темная материя. Мы не можем непосредственно обнаружить ее. Что мы действительно знаем, так это то, что Вселенная ведет себя не совсем так, как должна, если мы применяем нашу текущую физику к тому, что мы можем непосредственно наблюдать. Например, звезды на внешних краях галактик движутся быстрее, чем должны, как бы под воздействием какой-то невидимой массы.

Мы называем эту массу «темной материей», и существует несколько гипотез о том, как она работает. Среди них горячая темная материя, где «горячая» означает «частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света»; и холодная темная материя, где «холод» означает «частицы, движущиеся медленнее, чем релятивистские скорости».

Большинство данных полученных от наблюдений и существующих моделей предпочитают теорию холодной темной материи. Один из тестов, который может дать подсказки, — можно ли найти небольшие скопления темной материи.

Видите ли, горячая темная материя будет двигаться слишком быстро, чтобы допускать скопления мелких частей. Если темная материя движется медленнее — как в теории холодной темной материи — эти маленькие части должны существовать.

Однако найти их не так просто. Помните, мы не можем непосредственно наблюдать ее? Вместо этого астрономы делают вывод о ее присутствии, основываясь на гравитационном влиянии, которое она оказывает на наблюдаемое вещество вокруг себя — например, звезды, которые движутся слишком быстро вокруг внешних границ галактик.

Еще одна вещь, на которую влияет гравитация — это свет. Если между нами и источником света есть что-то действительно массивное, например скопление галактик, гравитационное влияние этого скопления искривляет пространство-время, изгибая путь света и создавая множество изображений источника света.

Это называется гравитационным линзированием, эффект, предсказанный общей теорией Эйнштейна. В редких случаях задействованные объекты выстраиваются в линию таким образом, что вокруг объекта линзирования создаются четыре искаженных изображения. Это называется крестом Эйнштейна.

Интересно, какое это имеет отношение к холодной темной материи? Гравитационное влияние небольших скоплений темной материи, теоретически, должно наблюдаться в различиях, обнаруженных на каждом из источников фонового света, изогнутых вокруг линзы.

Итак, команда использовала космический телескоп «Хаббл» для изучения восьми крестов Эйнштейна, чрезвычайно ярких галактик, гравитационно линзируемых массивными галактиками на переднем плане.

«Представьте, что каждая из этих восьми галактик представляет собой гигантское увеличительное стекло», — говорит астрофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Даниэль Гилман.

«Маленькие скопления темной материи действуют как маленькие трещины на увеличительном стекле, изменяя яркость и положение четырех изображений квазара по сравнению с тем, что вы ожидаете увидеть, если стекло будет гладким».

Они измерили, как свет квазаров искажается линзой. Они смотрели на видимую яркость и положение каждого из четырех изображений. И они сравнили их с предсказаниями того, как должны выглядеть кресты Эйнштейна без темной материи.

Эти сравнения позволили команде рассчитать массу скоплений темной материи, изменяющих изображения. Эти скопления кажутся в 10 000-100 000 раз меньше теоретической массы темной материи в Млечном Пути и вокруг него.

Полученные данные не исключают существования горячей темной материи, конечно. (Не говоря уже о дополнительном усложнении смешанной темной материи, модели, которая включает оба типа.) Но эти результаты действительно дают твердое доказательство существующей совокупности работ, подтверждающих существование холодной темной материи.

«Астрономы уже проводили другие обсервационные тесты теорий темной материи, но наши предоставляют наиболее убедительные доказательства присутствия небольших скоплений холодной темной материи», — сказала астроном и физик Анна Ниренберг из Лаборатории реактивного движения НАСА.

«Объединив последние теории, статистические инструменты и новые наблюдения «Хаббл», мы получили гораздо более надежный результат, чем это было возможно ранее».

Исследование было представлено на 235-м заседании Американского астрономического общества и опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

Источники: Фото: NASA, ESA, A. Nierenberg, T. Treu