Учёные впервые использовали радиационный остаток Большого взрыва для
измерения тёмной материи вокруг очень далеких галактик.
Несмотря на то, что её невозможно увидеть, тёмная материя заполняет Вселенную. И теперь кажется всё более вероятным, что так было всегда.
Международная команда из Японии использовала телескоп Subaru в спорном комплексе обсерваторий Мауна-Кеа, чтобы обнаружить самую раннюю из когда-либо наблюдаемых тёмную материю, проследив, как она искажает измерения гало миллионов самых старых и самых далёких галактик во Вселенной.
В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters, команда сообщает о самых ранних тонких следах влияния тёмной материи на галактики в молодой Вселенной. Они сделали открытие после наблюдения за 1,5 миллионами невероятно далёких галактик и их ореолов тёмной материи, заглянув в прошлое на 12 миллиардов лет.
Что нового в этих исследованиях
Эти космологи впервые показали, что можно использовать сам космический микроволновый фон — остаток излучения Большого взрыва — для измерения ореолов тёмной материи вокруг очень далёких галактик. Поскольку масса более близких, более молодых галактик и сопутствующая им тёмная материя искажают микроволновый фон, астрономы могут улавливать тонкие колебания излучения, чтобы косвенно наблюдать тёмную материю. Андрес Пласас Малагон, один из членов исследовательской группы и исследователь Принстонского университета и обсерватории Веры Рубин на севере Чили, говорит, что рассмотрение только одной галактики может вообще не выявить больших искажений. Поэтому команда объединила наблюдения за 1,5 миллионами галактик и кольцом тёмной материи, окружающим каждую из них, чтобы найти более чёткий сигнал. «Вы не получаете информацию о каждом ореоле», — говорит он. «Но мы ожидаем, что все эти ореолы очень похожи».
Исследование отличается от других работ такого рода по изучению галактического линзирования, потому что оно использует данные космического микроволнового фона, а не наблюдает, как на свет и излучение более далёких галактик влияют более близкие галактики. В конечном итоге команда наблюдала тёмную материю за первые 1,7 миллиарда лет существования Вселенной.
Фото: inverse.com
Открытие говорит о том, что самые ранние галактики имели ореолы тёмной материи, даже когда они впервые сформировались. Одним из больших преимуществ исследования является огромный размер выборки — наблюдение за многими галактиками облегчает обнаружение очень небольших, но значительных колебаний излучения — но кроме того, данные уже были собраны.
Возможно, другие астрономы могли бы использовать другие существующие большие наборы данных широкого обзора, чтобы обнаружить более раннюю тёмную материю — даже эти учёные были шокированы тем, что смогли провести это исследование. «Посмотреть на тёмную материю вокруг далёких галактик?» Масами Оучи, профессор Токийского университета и соавтор исследования, спрашивает в сопроводительном заявлении. «Это была сумасшедшая идея. Никто не знал, что мы можем это сделать».
Почему это исследование так важно
Тёмную материю нельзя наблюдать напрямую, и её роль во Вселенной остаётся загадкой. Тем не менее, считается, что субстанция составляет четверть всего сущего. Чтобы лучше это понять, астрономы сравнивают наблюдения нашей локальной вселенной с измерениями очень далёких и старых объектов. Некоторые наблюдения говорят о ранней Вселенной, а некоторые — о современной Вселенной, и, по словам Пласаса Малагона, «чтобы перейти от одного к другому, вы используете свою математическую модель Вселенной, получаете свои начальные условия, делаете предсказание, и вот так вы можете сделать сравнение».
Удивительно, но тёмная материя, наблюдаемая в этом исследовании, ведёт себя не так, как предсказывали учёные, основываясь на том, что люди знают о законах физики и, в частности, на Стандартной модели, которая предлагает основу для описания всей материи во Вселенной. Лучшие из существующих измерений космического микроволнового фона были проведены миссией ЕКА «Планк» десять лет назад. И хотя в данной миссии не происходило измерение тёмной материи напрямую, полученные данные наложили определённые ограничения на то, что, по мнению физиков, должно быть там.
Согласно популярной космологической теории, называемой стандартной моделью лямбда холодной тёмной материи, тёмная материя должна образовывать локально плотные сгустки в результате случайных флуктуаций космического микроволнового фона и гравитации. Вместо этого команда обнаружила, что ранняя тёмная материя менее комковатая, чем ожидалось. Если ожидания космологов относительно ранней Вселенной не совпадают с астрономическими наблюдениями, возможно, другие предположения, лежащие в основе стандартной космологии, могут рухнуть по мере того, как учёные будут уходить в прошлое во времени и пространстве.
Какие дальнейшие шаги исследователей
На данный момент в этом анализе задействована только треть набора галактических данных, собранных телескопом Subaru. Астрономы могли бы продолжать просматривать полный набор данных и другие существующие наблюдения в поисках следов тёмной материи в чрезвычайно больших выборках галактик.
Фото: inverse.com
Когда в 2023 году обсерватория Веры Рубин на севере Чили, где работает Пласас Малагон, начнёт наблюдать за небом, это будет самая большая цифровая камера в мире. Пласас Малагон говорит, что запланированный Обсерваторией «Наследный обзор пространства и времени» будет «похож на этот обзор, но на стероидах», измеряя всю половину неба, видимую из Чили. Это означает, что он захватит миллиарды и миллиарды галактик, а не относительно простые миллионы, захваченные телескопом Субару или даже космическим телескопом Джеймса Уэбба. «Космический телескоп Джеймса Уэбба великолепен, но слишком мал, — говорит Пласас Малагон.
Команда также ждёт конца десятилетия, чтобы совершить скачок в своих возможностях наблюдения из космоса — именно тогда ожидается запуск космического телескопа Нэнси Грейс Роман. «Для этого анализа нам нужны сотни миллионов галактик», — говорит Пласас Малагон. «Римский космический телескоп даст нам очень большой обзор».
То, что выводы команды в этом исследовании не полностью совпадают с тем, что ожидалось математически, не означает, что теория тёмной материи проблематична сама по себе или что стандартная модель Lambda-CDM всё ещё бесполезна. Хотя эти наблюдения являются неожиданными, Пласас Малагон отмечает, что «они указывают нам направление, в котором может быть что-то, за чём нам нужно наблюдать дальше». «Если вы серьёзный учёный, то захотите подвергнуть критике свою модель», — говорит он.