Астрономи вважають темну матерію не лише основною складовою маси Всесвіту, але й тим «остовом», довкола якого формуються галактики. Але щоб знайти докази існування цієї загадкової, невидимої маси, науковці змушені вдаватися до непрямих методів, схожих на ті, що використовують для вивчення чорних дір. По суті, вони визначають, як наявність темної матерії впливає на галактики та зорі в їх околицях.
Досі астрономам вдалося знайти докази наявності темної матерії навколо середніх і великих галактик. Використавши спостережні дані Космічного телескопа імені Габбла та застосувавши нову техніку спостереження, група астрономів з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Лабораторії реактивного руху NASA виявила, що темна матерія може утворювати набагато менші скупчення, ніж вважали раніше. Ці висновки були представлені на 235-му з’їзді Американського астрономічного товариства.
Найприйнятніша теорія темної матерії стверджує, що вона складається не з баріонів (нормальна речовина, або речовина, що світиться), тобто протонів, нейтронів та електронів. Натомість суто теоретично носієм темної матерії є якась невідома субатомна частинка, яка взаємодіє з нормальною речовиною лише через гравітацію, найслабшу з чотирьох відомих фундаментальних взаємодій (інші — електромагнітна, сильна та слабка ядерні взаємодії).
Комп’ютерне моделювання розподілу речовини у Всесвіті. Помаранчеві ділянки містять галактики; сині структури — це газ і темна матерія. Фото з сайту www.universetoday.com.
Ще одна широко поширена теорія стверджує, що частинки темної матерії рухаються повільно, як порівняти з іншими типами частинок, і тому схильні до скупчення. Згідно з цією ідеєю у Всесвіт мають бути ріжноманітні згустки темної матерії: як малі, так і великі. Однак досі малих скупчень ніхто не спостерігав.
Використовуючи дані, отримані за допомогою Ширококутної камери 3 (Wide Field Camera 3) телескопа «Габбл», дослідницька група прагнула знайти докази цих невеликих скупчень. Для цього реєстрували світло від яскравих ядер восьми віддалених галактик (квазарів), щоб побачити якийсь вплив на нього під час поширення його крізь космічний простір. Ця методика, яку зазвичай використовують астрономи для вивчення віддалених галактик, зоряних скупчень і навіть екзопланет, відома як гравітаційне лінзування.
Передбачена загальною теорією відносності Айнштайна, ця методика спирається на дію сили тяжіння масивних космічних об’єктів, що заломлює і підсилює світло від більш віддалених об’єктів. Даніель Ґілман (Daniel Gilman) з Каліфорнійського університету, який був у складі групи спостерігачів, пояснив процес таким чином: «Уявіть, що кожна з цих восьми галактик — це величезна лупа. Дрібні скупчення темної матерії діють як невеликі тріщини на збільшувальному склі, змінюючи яскравість та положення чотирьох зображень квазара порівняно з тим, що ви могли б очікувати, якщо б скло було гладким».
Зображення фонового квазара та його галактики, що оточує центральне ядро масивної галактики переднього плану, отримані з допомогою Космічного телескопа імені Габбла. Фото з сайту www.universetoday.com.
Як і сподівалися науковці, зображення від «Габбла» показали, що світло, яке іде з цих восьми квазарів, зазнало ефекту лінзування. Це вказує на існування невеликих скупчень темної матерії уздовж лінії зору телескопа та в околі галактик переднього плану, які відігравали роль лінзи. Вісім квазарів і галактики були вирівняні на промені зору так точно, що ефект викривлення давав чотири деформовані зображення кожного квазара.
Застосувавши складні обчислювальні програми та інтенсивні методи реконструкції зображень, науковці потім порівняли рівень деформацій із прогнозами того, якими б мали бути зображення квазарів без впливу темної матерії. Ці вимірювання також використовували для обчислення маси темної матерії. Отримані результати вказують на те, що вона на 1/10000 — 1/100000 більша, ніж маса темної матерії в гало Молочного Шляху.
Окрім того, що науковці вперше спостерігали невеликі концентрації темної матерії, результати підтверджують один з основних прогнозів теорії «холодної темної матерії». Ця теорія постулює, що оскільки темна матерія є повільною (або «холодною»), вона здатна утворювати ріжні структури — від крихітних концентрацій до величезних, які в кілька разів перевищують масу Молочного Шляху.
Ця теорія також стверджує, що всі галактики у Всесвіті утворилися в хмарах темної матерії, відомі як «ореоли», і залишилися «вмурованими» в них. Водночас деякі дослідники припускають, що темна матерія насправді може бути «теплою» — тобто складатися з частинок, що мають великі швидкості, — і тому занадто швидка, щоб утворювати невеликі згустки.
Розподіл темної матерії, коли Всесвіту було близько 3 млрд. років, показує неперервний розподіл частинок темної матерії (ліворуч) та ореолів темної матерії (праворуч). Фото з сайту www.universetoday.com.
Однак нові спостереження надають остаточні докази тому, що теорія холодної темної матерії та космологічна модель, якій вона відповідає — модель Лямбда холодна темна матерія (Lambda Cold Dark Matter, Λ CDM) — є правильними. Як пояснив учасник наукової групи професор Томмазо Треу (Tommaso Treu) з Каліфорнійського університету, ці останні спостереження «Габбла» дають нове розуміння природи темної матерії та її поведінки.
«Ми зробили дуже переконливий спостережний тест для моделі холодної темної матерії», — сказав він. «Неймовірно, що після майже 30 років роботи “Габбл” дав змогу отримати нові уявлення про фундаментальну фізику та природу Всесвіту, про які ми і не мріяли при запуску телескопа».
Анна Ніренберґ (Anna Nierenberg), науковий співробітник Лабораторії реактивного руху NASA, яка керувала оглядом «Габбла», пояснила:
Полювання на скупчення темної матерії, де немає зір, виявилося складним. Однак група дослідників, які працювали з «Габблом» використала методику, коли їм не потрібно було шукати гравітаційного впливу зір як «проявників» темної матерії. Науковці обрали за ціль вісім потужних та віддалених космічних «вуличних ліхтарів», які називають квазарами (центральні ділянки галактик з активними чорними дірами, які випромінюють величезну кількість світла). Астрономи вимірювали міру заломлення світла, яке випромінюють гази кисень та неон, що містяться навколо чорних дір квазарів, під дією сили тяжіння масивної галактики переднього плану (вона виконує роль збільшувальної лінзи).
Зображення темного Всесвіту, що показує розподіл темної матерії у Всесвіті. Фото з сайту www.universetoday.com.
Кількість малих структур, виявлених у дослідженні, дає змогу висловити більше здогадів про природу частинок темної матерії, бо їхні властивості впливатимуть на форму скупчень такої матерії. Однак тип частинок, з яких складається темна матерія, поки залишається загадкою. На щастя, очікується, що в найближчому майбутньому космічні телескопи нового покоління допоможуть її розгадати.
До таких телескопів належать космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) та ширококутний інфрачервоний оглядовий телескоп (Wide Field Infrared Survey Telescope, WFIRST), обидва з яких є інфрачервоними обсерваторіями. Їх планують ввести в дію в цьому десятилітті. Завдяки їх досконалій оптиці, спектрометрам, великому полі зору та високій роздільній здатності, ці телескопи зможуть спостерігати великі об’єми космосу, заповнені масивними галактиками, скупченнями галактик та їхні ореоли.
Це має допомогти астрономам визначити справжню природу темної матерії та частинки, що є її носієм. Водночас астрономи планують використовувати ці ж телескопи, щоб дізнатися більше про темну енергію, ще одну велику космологічну таємницю, яку поки що можна вивчити лише опосередковано. Захопливі часи чекають попереду!
За інф. з сайту www.universetoday.com підготував Іван Крячко
