Новые астрономические наблюдения уточнили природу темной материи

Понятие темной материи исторически возникло из-за необходимости решения проблемы скрытой массы во Вселенной. Введение этого понятия позволило объяснить различия между теоретическими предсказаниями и астрономическими наблюдениями характера вращения галактик и силы гравитационного линзирования. 

Так, если бы во Вселенной существовала только видимая материя, то периферические части галактических дисков вращались бы медленнее наблюдаемого, а гравитационное линзирование далеких объектов в норме было бы заметно слабее. Только предположение о некоей скрытой массе позволяет решить эту загадку. Причем, согласно общепринятой сегодня космологической теории, в наблюдаемой нами части Вселенной этой невидимой материи должно быть в пять раз больше, чем привычной нам барионной.

Поскольку о присутствии темной материи можно узнать только через гравитационные эффекты на масштабах звезд и галактик, астрономам приходится полагаться лишь на случайные «естественные эксперименты», заключающиеся в особом расположении небесных тел.

Одним из таких экспериментов для группы японских астрономов стали квазар MG J0414+0534, чей свет шел до нас 11,2 миллиарда лет, и находящаяся между ним и Землей гравитационная линза. Последняя образована массивной галактикой, а также темной материей вокруг нее.

Вследствие искривления пространства видимая материя галактики и невидимая темная материя создают четыре линзированных изображения далекого квазара. Часто в подобных случаях наблюдаются аномалии в распределении сигнала от разных изображений, приводящих к существенным отклонениям наблюдательных данных от теоретических прогнозов. Эти отклонения обычно объясняют наличием дополнительного небольшого гало темной материи, имеющего умеренную массу и находящегося либо возле основного гало галактики, либо в межгалактическом пространстве. 

Различные модели темной материи по-разному описывают и флуктуации в распределении подобных сгустков во Вселенной. Наиболее точно гравитационные эффекты невидимой материи на масштабах более трех миллионов световых лет описывает модель холодной темной материи (CDM). Для более точного и детального описания необходимо выяснить, можно ли введением флуктуирующего распределения темной материи в межгалактическом пространстве объяснить наблюдаемые аномалии в линзирующих изображениях.

Проблема заключается в том, что для оценки масштабов флуктуаций необходимо измерить астрометрические сдвиги сигналов от линзированных изображений, вызванных ими. Обычно это едва уловимые эффекты, которые с уверенностью можно наблюдать лишь в случаях сильного гравитационного линзирования, как в случае MG J0414+0534. Для изучения изображений квазара, созданных массивной галактической линзой, японские исследователи использовали комплекс радиотелескопов ALMA и новый метод анализа данных.

Наблюдения с помощью антенной решетки со сверхдлинной базой (VLBA) позволили ученым разрешить мелкомасштабную структуру флуктуаций межгалактической темной материи с детализацией, позволяющей различать объекты в 30 тысяч световых лет и менее (что, например, втрое меньше ширины Млечного Пути). Новые измерения не только согласуются с предсказаниями CDM, но и позволяют заметно расширить область применимости этой модели. Более подробно с результатами работы можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.

Авторы работы предположили, что найденные ими с помощью гравилинзирования флуктуации в распределении темной материи объясняются небольшими «субгало» темной материи, которые находятся вне больших галактик. Стоит отметить, что небольшие, компактные источники гравитационного линзирования предлагает и другая модель темной материи, согласно которой она состоит из шаровых скоплений черных дыр.