Ученые создали одну из самых подробных карт темной материи с высоким разрешением

При помощи космического телескопа имени Джеймса Уэбба (NASA) ученые создали самую подробную на сегодняшний день космическую карту таинственного вещества, называемого темной материей, которое составляет большую часть того, что населяет Вселенную. Результаты исследования, основанные на новых данных, были опубликованы 26 января в журнале Nature Astronomy. Исследование проводилось совместно Даремским университетом, Лабораторией реактивного движения NASA (JPL) и Федеральной политехнической школой Лозанны (EPFL), Швейцария.

«Обычная материя, включая такие частицы, как протоны и нейтроны, составляет лишь около одной шестой части всей материи во Вселенной. Остальное — темная материя, которая не излучает и не поглощает свет, но играет фундаментальную роль в эволюции галактик и их структур. Поскольку она взаимодействует только посредством гравитации, одним из наиболее прямых способов ее исследования является слабое гравитационное линзирование: отклонение света от далеких галактик промежуточной массой. Здесь мы представляем чрезвычайно подробную карту распределения массы, полученную методом слабого линзирования с использованием изображений высокого разрешения, полученных с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба», — сказано в аннотации.

Карта основывается на предыдущих исследованиях и предоставляет дополнительные новые подробности о том, как темная материя формировала Вселенную в самых больших масштабах — в скоплениях галактик диаметром в миллионы световых лет, — которые в конечном итоге порождают галактики, звезды и планеты, подобные Земле. Новая карта сообщает новое о взаимосвязи между темной материей и обычной материей, из которой состоим мы — и всё, что мы можем потрогать или увидеть.

Фактически, новая карта заглядывает в прошлое — в период примерно от 8 до 10 миллиардов лет назад, ключевой период формирования галактик.

Карта с беспрецедентной четкостью раскрывает новые детали макроструктуры Вселенной, называемой космической паутиной — скопления галактик, огромные нити, состоящие из темной материи, вдоль которых распределены галактики и газ, а также области с меньшей плотностью массы.

Карта охватывает часть неба, называемую Космическим обзором эволюции (COSMOS), расположенную в направлении созвездия Секстанта. По словам исследователей, эта карта облегчит будущие исследования Вселенной различными способами.

Когда Вселенная только зародилась, темная материя и обычная материя, вероятно, были распределены неравномерно. Ученые считают, что темная материя сначала сгруппировалась, а затем поглотила обычную материю, создав области, где начали формироваться звезды и галактики. Таким образом, темная материя определила крупномасштабное распределение галактик, которое мы видим во Вселенной сегодня.

Стимулируя более раннее начало формирования галактик и звезд, чем это произошло бы в противном случае, темная материя также сыграла роль в создании условий для последующего образования планет. Без нее в нашей галактике, возможно, не было бы элементов, которые позволили возникнуть жизни.

«Выявив темную материю с беспрецедентной точностью, наша карта показывает, как невидимый компонент Вселенной структурировал видимую материю до такой степени, что это позволило возникнуть галактикам, звездам и, в конечном итоге, самой жизни, — сказал соавтор исследования, доктор Гэвин Лерой из Института вычислительной космологии, кафедры физики Даремского университета. — Эта карта раскрывает невидимую, но важнейшую роль темной материи, истинного архитектора Вселенной, которая постепенно организует структуры, наблюдаемые нами в телескопы».

Доказательством того, что темная материя взаимодействует с остальной частью Вселенной посредством гравитации, послужила степень совпадения карт темной материи и обычной материи. Согласно исследованиям, наблюдения «Уэбба» подтверждают, что такое тесное выравнивание не может быть случайностью. Вместо этого астрономы утверждают, что это происходит из-за гравитации темной материи, притягивающей к себе обычную материю на протяжении всей космической истории.

«Везде, где сегодня во Вселенной находится обычная материя, там же находится и темная материя, — заявил соавтор исследования, профессор Ричард Масси из Института вычислительной космологии, кафедры физики Даремского университета. — Каждую секунду через ваше тело проходят миллиарды частиц темной материи. В этом нет ничего плохого, они нас не замечают и просто продолжают свой путь. Но всё это вихревое облако темной материи вокруг Млечного Пути обладает достаточной гравитацией, чтобы удерживать всю нашу галактику вместе. Без темной материи Млечный Путь распался бы сам на части».

На новой карте изображен участок неба, примерно в 2,5 раза превышающий размер полной Луны, расположенный в созвездии Секстанта. Телескоп «Уэбб» наблюдал за этим регионом в общей сложности около 255 часов и идентифицировал почти 800 000 галактик, многие из которых были обнаружены впервые. Затем научная группа начала поиски темной материи, наблюдая, как ее масса искривляет само пространство, что, в свою очередь, искривляет свет, идущий к Земле из далеких галактик, — как если бы свет от этих галактик прошел через деформированное оконное стекло.

На карте изображено примерно в 10 раз больше галактик, чем на картах этого района, составленных наземными обсерваториями, и в два раза больше, чем на картах, полученных с помощью космического телескопа «Хаббл».

Телескоп «Уэбб», работающий в инфракрасном диапазоне и обладающий примерно в шесть раз большей светосилой, чем «Хаббл», был запущен в 2021 году и начал функционировать в 2022 году.

«Космический телескоп Джеймса Уэбба — это как надеть новые очки для Вселенной, — сказал Сконьямильо. — Он видит более тусклые и далекие галактики с гораздо более четкой детализацией, чем когда-либо прежде. Это фактически дает нам гораздо более плотную сетку фоновых галактик для работы, что именно то, что нужно для такого рода исследований. Большее количество галактик и более четкие изображения напрямую приводят к более четкой карте темной материи».

В дальнейшем команда планирует составить карту темной материи во всей Вселенной, используя телескоп «Евклид» Европейского космического агентства (ESA) и будущий космический телескоп Нэнси Грейс Роман от NASA.