Хаббл обнаружил небольшие скопления темной материи

И все же она составляет основную массу Вселенной и образует леса, на которых строятся галактики. Темная материя - гравитационный «клей», который удерживает вместе галактики и скопления галактик. Астрономы могут обнаружить её присутствие косвенно, измерив, как её гравитация влияет на звезды и галактики.

Таинственная субстанция состоит из иного материала, чем звезды, планеты и люди. Этим материалом является нормальная барионная материя, состоящая из электронов, протонов и нейтронов. Но темная материя может быть некой неизвестной субатомной частицей, которая слабо взаимодействует с нормальной материей.

Популярная теория гласит, что частицы темной материи двигаются не очень быстро, что облегчает их слипание. Согласно этой идее, Вселенная содержит широкий диапазон концентраций темной материи, от малой до большой.

Астрономы обнаружили скопления темной материи вокруг галактик крупных и средних размеров. Используя Хаббла и новую технику наблюдения, астрономы обнаружили, что темная материя образует гораздо меньшие скопления.

Исследователи искали небольшие концентрации темной материи в данных Хаббл, измеряя, как влияет свет от далеких квазаров, когда путешествует в космосе. Квазары - яркие ядра очень далеких галактик. Изображения Хаббл показывают, что свет от этих изображений квазаров искажен и увеличен силой тяжести массивных галактик переднего плана из-за гравитационного линзирования. Астрономы использовали эффект линзирования, чтобы обнаружить небольшие скопления темной материи. Скопления расположены вдоль линии визирования телескопа к квазарам, а также внутри и вокруг линзирующих галактик на переднем плане.

Результат астрономов подтверждает одно из фундаментальных предсказаний широко принятой теории «холодной темной материи».

Согласно этой теории, все галактики образуют и заключены в облака темной материи. Сама темная материя состоит из медленно движущихся или «холодных» частиц, которые собираются вместе, образуя структуры, от сотен тысяч раз превышающих массу галактики Млечный путь до комков, массой коммерческого самолета.

Наблюдение Хаббла дает новое понимание природы темной материи и ее поведения. «Мы сделали очень убедительный обсервационный тест для модели холодной темной материи, и она проходит блестяще», - сказал Томмазо Треу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), член группы наблюдателей.

Обнаружение мельчайших образований темной материи путем поиска встроенных звезд может быть трудным или невозможным, поскольку в них содержится очень мало звезд.

Концентрации темной материи были обнаружены вокруг больших и средних галактик, но до сих пор не было обнаружено гораздо меньших скоплений темной материи. В отсутствие данных наблюдений за такими мелкими скоплениями некоторые исследователи разработали альтернативные теории, в том числе «теплую темную материю». Эта идея предполагает, что частицы темной материи быстро движутся, перемещаясь слишком быстро, чтобы слиться и образовать меньшие концентрации. Новые наблюдения не подтверждают этот сценарий, обнаруживая, что темная материя "холоднее", чем это должно быть в альтернативной теории теплой темной материи.

«Астрономы уже проводили другие наблюдательные тесты теорий темной материи и раньше, но наши предоставляют наиболее убедительные доказательства присутствия небольших скоплений холодной темной материи. Объединив последние теоретические предсказания, статистические инструменты и новые наблюдения Хаббла, мы теперь получили гораздо более надежный результат, чем это было возможно ранее», сказала Анна Ниренберг из Лаборатории реактивного движения НАСА, руководитель исследования Хаббла.

Охота на темную материю, лишенную звезд, оказалась сложной задачей. Исследовательская группа Хаббла использовала технику, в которой не нужно было искать гравитационное влияние звезд как индикаторов темной материи. Команда нацелена на 8 мощных и отдаленных квазаров (области вокруг активных черных дыр, которые излучают огромное количество света). Астрономы измерили, как свет, испускаемый кислородом и неоновым газом, искажается гравитацией массивной галактики переднего плана, которая действует как увеличительная линза.

Используя этот метод, команда обнаружила скопления темной материи вдоль линии визирования телескопа к квазарам, а также внутри и вокруг промежуточных линзирующих галактик. Концентрации темной материи, обнаруженные Хабблом, в 1/10000 - 1/100000 раз превышают массу гало темной материи Млечного Пути. Многие из этих крошечных концентраций не содержат даже небольших галактик, и поэтому их невозможно обнаружить традиционным методом поиска звезд.

8 квазаров и галактик были выровнены настолько точно, что эффект гравитационного линзирования дал 4 искаженных изображения каждого квазара. Эффект, как если смотреть в зеркало. Такие изображения квазаров редки из-за почти точного выравнивания, необходимого между галактикой переднего плана и фоновым квазаром. Тем не менее, исследователи нуждались в нескольких изображениях для проведения более детального анализа.

Присутствие скоплений темной материи изменяет кажущуюся яркость и положение каждого искаженного изображения квазара. Астрономы сравнили эти измерения с предсказаниями того, как будут выглядеть изображения квазара без влияния темной материи. Исследователи использовали измерения, чтобы вычислить массы крошечных концентраций темной материи. Для анализа данных исследователи также разработали сложные компьютерные программы и методы интенсивной реконструкции.

Исследователи использовали широкоугольную камеру 3 Хаббла, чтобы захватывать ближний инфракрасный свет от каждого квазара и распределять его по цветам компонентов для изучения с помощью спектроскопии. Уникальные излучения фоновых квазаров лучше всего видны в инфракрасном свете. «Наблюдения Хаббла из космоса позволяют нам проводить эти измерения в галактических системах, которые были бы недоступны при более низком разрешении наземных телескопов, а атмосфера Земли непрозрачна для инфракрасного света, который нужно наблюдать», - объяснил Саймон Биррер из UCLA.

Количество небольших структур, обнаруженных в исследовании, дает больше подсказок о природе темной материи. «Свойства частиц темной материи влияют на то, сколько сгустков образуется», - объяснил Ниренберг. «Это означает, что можно узнать о физике частиц темной материи, посчитав количество маленьких структур».

Но тип частиц, из которых состоит темная материя, до сих пор остается загадкой. «В настоящее время в лаборатории нет прямых доказательств существования частиц темной материи», - сказал Биррер. «Физики элементарных частиц даже не говорили бы о темной материи, если бы космологи не сказали, что она существует, основываясь на наблюдениях за ее эффектами. Когда мы, космологи, говорим о темной материи, мы спрашиваем: «Как она управляет появлением Вселенной? И в каких масштабах?»

Астрономы смогут проводить последующие исследования темной материи, используя будущие космические телескопы НАСА: космический телескоп Джеймса Уэбба и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST). Уэбб сможет эффективно получать измерения для всех известных квазаров с четырьмя линзами. Точность WFIRST и большое поле зрения помогут астрономам проводить наблюдения за всей областью пространства, затронутой огромным гравитационным полем массивных галактик и скоплений галактик. Это поможет исследователям раскрыть еще много этих редких систем.