Японські астрономи провели серію спостережень за випромінюванням аномального квазара, світло від якого заломлюється галактичною гравітаційною лінзою. Зібрані дані і новий метод їх обробки дозволили вивчити флуктуації розподілу темної матерії в небачених раніше деталях.
Концептуальна схема системи з гравітаційної лінзи, що створює зображення квазара MG J0414 + 0534. Темна матерія, пов’язана з лінзуючою галактикою, показана блідо-блакитним і білим кольором. Темна матерія в міжгалактичному просторі показана помаранчевим кольором. Суцільні лінії показують дійсні шляхи радіохвиль, які викривляються під дією гравітації галактики і темної матерії навколо неї. Пунктирні лінії показують видимі спостережувані положення лінзованих зображень / © NAOJ, K. T. Inoue
Поняття темної матерії історично виникло через необхідність вирішення проблеми прихованої маси у Всесвіті. Введення цього поняття дозволило пояснити відмінності між теоретичними прогнозами і астрономічними спостереженнями характеру обертання галактик і сили гравітаційного лінзування.
Так, якби у Всесвіті існувала тільки видима матерія, то периферичні частини галактичних дисків оберталися б повільніше спостережуваного, а гравітаційне лінзування далеких об’єктів в нормі було б помітно слабкіше. Тільки припущення про якусь приховану масу дозволяє вирішити цю загадку. Причому, відповідно до загальноприйнятої сьогодні космологічної теорії, в спостережуваної нами частині Всесвіту цієї невидимої матерії повинно бути в п’ять разів більше, ніж звичної нам баріонної.
Оскільки про присутність темної матерії можна дізнатися тільки через гравітаційні ефекти на масштабах зірок і галактик, астрономам доводиться покладатися лише на випадкові «природні експерименти», що полягають в особливому розташуванні небесних тіл.
Одним з таких експериментів для групи японських астрономів стали квазар MG J0414+0534, чиє світло йшло до нас 11,2 мільярда років, і знаходиться між ним і Землею гравітаційна лінза. Остання утворена масивною галактикою, а також темною матерією навколо неї.
Внаслідок викривлення простору видима матерія галактики і невидима темна матерія створюють чотири лінзованих зображення далекого квазара. Часто в подібних випадках спостерігаються аномалії в розподілі сигналу від різних зображень, що призводять до істотних відхилень спостережних даних від теоретичних прогнозів. Ці відхилення зазвичай пояснюють наявністю додаткового невеликого гало темної матерії, що має помірну масу і знаходиться або біля основного гало галактики, або в міжгалактичному просторі.
- Кольорові фотографії всесвіту від GLEAM
- У кратер вічної темряви на Місяці відправлять дослідницьку місію
- Математика не підходить для опису Всесвіту?
Різні моделі темної матерії по-різному описують і флуктуації в розподілі подібних згустків у Всесвіті. Найбільш точно гравітаційні ефекти невидимої матерії на масштабах більше трьох мільйонів світлових років описує модель холодної темної матерії (CDM). Для більш точного і детального опису необхідно з’ясувати, чи можна введенням флуктуючого розподілу темної матерії в міжгалактичному просторі пояснити спостережувані аномалії в лінзуючих зображеннях.
Проблема полягає в тому, що для оцінки масштабів коливань необхідно виміряти астрометричні зрушення сигналів від лінзованих зображень, викликаних ними. Зазвичай це ледь вловимі ефекти, які з упевненістю можна спостерігати лише у випадках сильного гравітаційного лінзування, як у випадку MG J0414+0534. Для вивчення зображень квазара, створених масивною галактичною лінзою, японські дослідники використовували комплекс радіотелескопів ALMA і новий метод аналізу даних.
Флуктуації темної матерії в системі лінз, що створюють чотири зображення квазара MG J0414 + 0534. Білувато-синій – гравітаційно-лінзовані зображення, що спостерігаються ALMA. Розрахований розподіл темної матерії показано помаранчевим кольором. Більш яскраві області вказують на більш високі концентрації темної матерії, а темно-помаранчеві області вказують на більш низькі концентрації / © ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue et al.
Спостереження за допомогою антенної решітки з наддовгою базою (VLBA) дозволили вченим вирішити дрібномасштабну структуру флуктуацій міжгалактичної темної матерії з деталізацією, що дозволяє розрізняти об’єкти в 30 тисяч світлових років і менше (що, наприклад, втричі менше ширини Чумацького Шляху). Нові вимірювання не тільки узгоджуються з прогнозами МЧР, але й дозволяють помітно розширити сферу застосування цієї моделі. Більш детально з результатами роботи можна ознайомитися в статті, опублікованій в журналі The Astrophysical Journal.
Автори роботи припустили, що знайдені ними за допомогою гравілінзування флуктуації в розподілі темної матерії пояснюються невеликими «субгало» темної матерії, які знаходяться поза великими галактиками. Варто відзначити, що невеликі, компактні джерела гравітаційного лінзування пропонує і інша модель темної матерії, згідно з якою вона складається з кульових скупчень чорних дір.