Простіше кажучи, Темна матерія не тільки вважає основну частину маси Всесвіту, але й виступає в якості риштувань, на яких побудовані галактики. Але щоб знайти докази цієї загадкової, невидимої маси, вчені змушені спиратися на непрямі методи, подібні до тих, що використовуються для вивчення чорних дір. По суті, вони вимірюють, як присутність Темної матерії впливає на зірки та галактики в її околицях.
На сьогоднішній день астрономам вдалося знайти докази скупчення темної матерії навколо середніх і великих галактик. Використання даних із Космічний телескоп Хаббл і нова техніка спостереження, команда астрономів з UCLA та NASA JPL виявила, що темна речовина може утворювати набагато менші скупчення, ніж вважалося раніше. Ці висновки були представлені цього тижня на 235-му засіданні Американського астрономічного товариства (AAS).
Найпоширеніша теорія про Темну Матеру стверджує, що вона складається не з того самого матеріалу, що і баріонів (інакше. Нормальна або "світиться" речовина), тобто протонів, нейтронів та електронів. Натомість "Темна матерія" теоретично складається з якоїсь невідомої субатомної частинки, яка взаємодіє з нормальною речовиною лише через гравітацію, найслабші з основних сил - інші - електромагнітні, сильні та слабкі ядерні сили.
Інша широко прийнята теорія стверджує, що Темна матерія рухається повільно порівняно з іншими типами частинок і тому схильна до скупчення. Відповідно до цієї ідеї, Всесвіт повинна містити широкий діапазон концентрацій темної речовини, починаючи від малого до великого. Однак до цих пір не спостерігалося жодних малих концентрацій.
Використовуючи дані, отримані широкоформатною камерою Хаббла 3 (WFC3), дослідницька група прагнула знайти докази цих невеликих скупчень, вимірюючи світло від яскравих ядер восьми віддалених галактик (ака. Квазарів), щоб побачити, як на нього впливають під час подорожі. через космос. Ця методика, яку зазвичай використовують астрономи для вивчення віддалених галактик, зоряних скупчень і навіть екзопланет, відома як гравітаційне лінзування.
Спочатку передбачена теорією загальної відносності Ейнштейна, ця методика спирається на гравітаційну силу великих космічних об'єктів, щоб перетворюватися і збільшувати світло від більш віддалених об'єктів. Даніель Гілман з UCLA, який був членом групи спостереження, пояснив процес таким чином:
“Уявіть, що кожна з цих восьми галактик - це гігантське лупа. Дрібні скупчення темної речовини діють як невеликі тріщини на збільшувальному склі, змінюючи яскравість і розташування чотирьох зображень квазара порівняно з тим, що ви б очікували побачити, якби скло було рівним.
Як сподівались, Хаббл Зображення показали, що світло, що надходить від цих восьми квазарів, піддавався ефекту лінзування, що відповідає наявності невеликих скупчень уздовж лінії зору телескопа, а також навколо і навколо лінзових галактик переднього плану. Вісім квазарів і галактик були вирівняні так точно, що ефект викривлення створював чотири спотворені зображення кожного квазара.
Використовуючи складні обчислювальні програми та інтенсивні методи реконструкції, команда потім порівняла рівень спотворень із прогнозами, як з’являться квазари без впливу Темної матерії. Ці вимірювання також використовувались для обчислення маси концентрацій темної речовини, що вказувало на те, що вони були на 1/10 000-й до 1/100 000-го більше від маси ореолу Темного Матер'я.
Окрім того, що вперше спостерігаються невеликі концентрації, результати команди підтверджують одне з основних прогнозів теорії «холодної темної матерії». Ця теорія постулює, що оскільки Темна матерія є повільною (або "холодною"), вона здатна утворювати структури, що варіюються від крихітних концентрацій до величезних, які в кілька разів перевищують масу Чумацького Шляху.
Ця теорія також стверджує, що всі галактики у Всесвіті утворилися в хмарах Темної Матерії, відомі як "ореоли", і вбудувалися в них. Замість доказів дрібних скупчень деякі дослідники припускають, що Темна матерія насправді може бути «теплою» - тобто швидкоплинною - і тому занадто швидкою, щоб утворити менші концентрації.
Однак нові спостереження пропонують остаточний доказ того, що теорія Холодної Темної Матерії та космологічна модель, яку вона підтримує - модель Ламбда Холодна Темна Матерія (? CDM) - є правильною. Як пояснив член команди проф. Томмазо Треу з Каліфорнійського університету, Лос-Анджелес (UCLA), останні останні Хаббл спостереження дають нові уявлення про природу темної матерії та про те, як вона поводиться.
"Ми зробили дуже переконливий спостережний тест для моделі холодної темної матерії, і вона проходить з літаючими кольорами", - сказав він. "Неймовірно, що після майже 30 років роботи Хаббл надає передові уявлення про фундаментальну фізику та природу Всесвіту, про які ми і не мріяли, коли телескоп був запущений".
Анна Ніренберг, науковий співробітник лабораторії реактивного руху НАСА, яка керувала Хаббл опитування, пояснене далі:
Полювання на концентрації темних речовин, позбавлених зірок, виявилося складним. Однак дослідницька група Хаббла використовувала методику, в якій їм не потрібно було шукати гравітаційного впливу зірок як прослідників темної речовини. Команда націлила на вісім потужних та далеких космічних «вуличних ліхтарів», які називаються квазарами (регіони навколо діючих чорних дір, які випромінюють величезну кількість світла). Астрономи вимірювали, як світло, що випромінюється киснем і неоновим газом, що обертаються навколо чорних дір кожного квазара, викривляється силою масивної галактики переднього плану, яка виконує роль збільшувальної лінзи.
Кількість малих структур, виявлених у дослідженні, пропонує більше підказів про природу частинок темної речовини, оскільки їх властивості впливатимуть на кількість скупчень. Однак тип частинок, з яких складається Темна матерія, поки залишається загадкою. На щастя, очікується, що в найближчому майбутньому розгортання космічних телескопів нового покоління допоможе.
До них відносяться космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) та широкомасштабний інфрачервоний оглядовий телескоп (WFIRST), обидва з яких є інфрачервоними обсерваторіями, які планується продовжити в цьому десятилітті. Завдяки своїй досконалій оптиці, спектрометрам, великому полі зору та високій роздільній здатності, ці телескопи зможуть спостерігати цілі регіони космосу, уражені масивними галактиками, кластери галактик та їхні ореоли.
Це повинно допомогти астрономам визначити справжню природу Темної матерії та як виглядають її складові частинки. У той же час, астрономи планують використовувати ці самі інструменти, щоб дізнатися більше про Темну енергію, ще одну велику космологічну таємницю, яку поки що можна вивчити лише опосередковано. Захоплюючі часи чекають попереду!
