Зеркала вселенной показывают разницу между тем, как темная материя ведет себя в теории, и тем, как она, кажется, действует в реальности.
Темная материя – это невидимый клей, который связывает звезды внутри галактики. Он составляет большую часть массы галактики и создает невидимый каркас, который связывает галактики в скопления.
Темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет. Он не взаимодействует ни с какими известными частицами. Его присутствие известно только по его гравитационному притяжению к видимой материи в космосе.
Хотя темная материя слегка размазана по всей Вселенной, она скопилась в областях космоса, называемых скоплениями галактик. Каждое из этих массивных скоплений, удерживаемых вместе гравитацией, состоит примерно из 1000 отдельных галактик, каждая из которых несет в себе свою долю темной материи.
В новом исследовании в журнале Наука, Астрофизик Йельского университета Приямвада Натараджан и группа международных исследователей проанализировали Космический телескоп Хаббла изображения нескольких массивных скоплений галактик и обнаружили, что меньшие ложки темной материи, связанные с скоплением галактик, были значительно более концентрированными, чем предсказывали теоретики.
Это открытие предполагает, что в понимании учеными темной материи может отсутствовать какой-либо ингредиент.
Это изображение космического телескопа Хаббла показывает массивное скопление галактик MACS J1206. Внутри скопления встроены искаженные изображения далеких галактик, которые видны как дуги и размытые детали. Эти искажения вызваны количеством темной материи в скоплении, гравитация которого искривляет и увеличивает свет от далеких галактик. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием, позволяет астрономам изучать удаленные галактики, которые в противном случае были бы слишком тусклыми, чтобы их можно было увидеть. Некоторые из скоплений галактик достаточно массивны и плотны, чтобы также искажать и увеличивать далекие источники. Галактики в трех выпадах представляют собой примеры таких эффектов. На снимках вверху справа и внизу две далекие синие галактики линзируются передним планом, более красными галактиками скопления, образующими кольца и множественными изображениями удаленных объектов. Красные пятна вокруг галактики в верхнем левом углу обозначают излучение облаков водорода в одном удаленном источнике. Источник, который из-за линз виден четыре раза, может быть тусклой галактикой. Эти капли были обнаружены Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) на Очень большом телескопе (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили. Капли не появляются на изображениях телескопа Хаббла. MACS J1206 является частью обзора Cluster Lensing And Supernova с Hubble (CLASH) и является одним из трех скоплений галактик, изученных исследователями с Hubble и VLT. Изображение Хаббла представляет собой комбинацию наблюдений в видимом и инфракрасном свете, сделанных в 2011 году с помощью Advanced Camera for Surveys и Wide Field Camera 3.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, П. Натараджан (Йельский университет), Дж. Каминья (Университет Гронингена), М. Менегетти (INAF-Обсерватория астрофизики и космической науки Болоньи), группы CLASH-VLT / Zooming; Благодарность: NASA, ESA, M. Postman (STScI), команда CLASH
«В реальной Вселенной есть особенность, которую мы просто не фиксируем в наших нынешних теоретических моделях», – сказал Натараджан, старший автор исследования и профессор астрономии и физики в Йельском университете. «Это может сигнализировать о пробеле в нашем нынешнем понимании природы темной материи и ее свойств, поскольку эти изысканные данные позволили нам исследовать подробное распределение темной материи на мельчайших масштабах».
Астрономы могут «нанести на карту» распределение темной материи в скоплениях галактик с помощью искривления света, производимого галактиками. Эта концепция называется гравитационным линзированием. Подобно забавному зеркалу, гравитационное линзирование искажает формы фоновых галактик, которые появляются на телескопических изображениях скоплений галактик. Чем выше концентрация темной материи в кластере, тем более драматичны наблюдаемые эффекты линзирования.
Исследователи использовали изображения из НАСАкосмического телескопа Хаббла в сочетании со спектроскопией Европейской южной обсерватории. Очень большой телескоп, чтобы создавать карты темной материи с высокой точностью.
Трехмерное изображение данных показало наличие холмов, холмов и долин из темной материи. С этой точки зрения нанесенная на карту темная материя выглядит как горный хребет с острыми участками. Пики – это капли темной материи, связанные с отдельными скоплениями галактик.
Особенно высокое качество данных исследования позволило исследователям проверить, соответствуют ли эти ландшафты темной материи теоретически обоснованным компьютерным симуляциям скоплений галактик с аналогичными массами, расположенных примерно на таких же расстояниях.
Они обнаружили, что моделирование не показало ни одного из тех же уровней концентрации темной материи на мельчайших масштабах – масштабах, связанных с отдельными скоплениями галактик.
Астрономы, кажется, обнаружили загадочную деталь в поведении темной материи. Они обнаружили небольшие плотные скопления темной материи, которые изгибают и усиливают свет намного сильнее, чем ожидалось. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
«Лично для меня очень захватывающе обнаружить разрыв – в данном случае расхождение в 10 раз – между наблюдением и теоретическим предсказанием», – сказал Натараджан. «Ключевой целью моего исследования было тестирование теоретических моделей с улучшением качества данных, чтобы найти эти пробелы. Именно такие пробелы и аномалии часто показывают, что либо мы упускаем что-то в текущей теории, либо они указывают путь к совершенно новой модели, которая будет иметь больше объяснительной силы ».
Натараджан потратил более десяти лет на сопоставление теоретических моделей темной материи с данными гравитационного линзирования. «Качество данных и сложность моделей только сейчас сошлись, чтобы позволить провести стресс-тестирование парадигмы холодной темной материи, и оно выявило трещину», – сказала она.
Подробнее об этом исследовании:
Источник: «Избыток мелкомасштабных гравитационных линз, наблюдаемых в скоплениях галактик» Массимо Менегетти, Гвидо Даволи, Пьетро Бергамини, Пьеро Розати, Приямвада Натараджан, Карло Джоколи, Габриэль Б. Каминья, Р. Бентон Меткалф, Елена Расиа, Стефано Боргани , Франческо Калура, Клаудио Грилло, Амата Меркурио и Эрос Ванцелла, 11 сентября 2020 г., Наука.
DOI: 10.1126 / science.aax5164
Натараджан сказал, что команда, в которую входят исследователи из Италии, Нидерландов и Дании, планирует продолжить стресс-тестирование теорий природы темной материи. Первым автором исследования является Массимо Менегетти из Обсерватории астрофизики и космических наук в Болонье, Италия.
