space

Темная материя возрастом 12 миллиардов лет впервые обнаружена

Ученые обнаружили темную материю вокруг галактик, существовавших около 12 миллиардов лет назад, что стало самым ранним обнаружением этого таинственного вещества, доминирующего во Вселенной. Выводы, полученные в результате сотрудничества под руководством исследователей из японского университета Нагоя, предполагают, что темная материя в ранней Вселенной менее «комковатая», чем это предсказывается многими современными космологическими моделями.

Если дальнейшая работа подтвердит эту теорию, это может изменить понимание учеными того, как развиваются галактики, и предполагают, что фундаментальные законы, управляющие космосом, могли быть другими, когда Вселенной, которой 13,7 миллиарда лет, было всего 1,7 миллиарда лет.

Ключом к картированию темной материи в очень ранней Вселенной является космический микроволновый фон (CMB), своего рода ископаемое излучение, оставшееся от Большого взрыва, которое распространяется по всему космосу. «Посмотрите на темную материю вокруг далеких галактик? Это была сумасшедшая идея. Никто не знал, что мы можем это сделать, — заявил в своем заявлении профессор Токийского университета Масами Оучи, пришел ко мне и сказал, что с помощью реликтового излучения можно посмотреть на темную материю вокруг этих галактик».

Поскольку свету требуется конечное время, чтобы добраться от удаленных объектов до Земли, астрономы видят другие галактики такими, какими они существовали, когда наблюдаемый свет покинул их.

Чем дальше галактика, тем дольше свет шел к нам и, следовательно, тем дальше назад во времени мы видим их, поэтому мы видим самые далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, в зачаточной Вселенной.

Наблюдать темную материю еще сложнее. Темная материя — это загадочное вещество, составляющее около 85% общей массы Вселенной. Она не взаимодействует с материей и светом, как обычная материя, состоящая из протонов и нейтронов, которая наполняет звезды, планеты и нас.

Обнаружение «ранней» темной материи

Чтобы вообще «увидеть» темную материю, астрономы должны полагаться на ее взаимодействие с гравитацией. Согласно теории относительности Эйнштейна, объекты огромной массы вызывают искривление пространства-времени. Распространенной аналогией является эластичный резиновый лист, удерживающий шарики с увеличивающейся массой. Чем больше масса, тем больше «вмятина» на листе.

Точно так же, чем больше космический объект, тем более сильное искривление пространства-времени он вызывает. Массивные объекты, такие как галактики, заставляют пространство-время искривляться настолько сильно, что свет от источников позади галактики искривляется точно так же, как траектория шарика, катящегося по натянутому резиновому листу, отклоняется.

Этот эффект смещает положение источника света в небе. , явление, называемое гравитационным линзированием. Чтобы изучить распределение темной материи в галактике, астрономы могут наблюдать, как меняется свет от источника за этой галактикой, когда он проходит через «галактику-линзу».

Но у техники есть ограничения. Поскольку самые ранние и самые далекие галактики очень тусклые, по мере того, как астрономы заглядывают глубже во Вселенную и дальше в прошлое, эффект линзирования становится все более тонким и трудным для наблюдения, и ученым требуется как множество фоновых источников, так и множество ранних галактик, чтобы точечное линзирование темной материей.

Эта проблема ограничила картографирование распределения темной материи галактиками, возраст которых составляет от 8 до 10 миллиардов лет. Но реликтовое излучение представляет собой более древний источник света, чем любая другая галактика.Реликтовое излучение — это вездесущее излучение, которое возникло, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы позволить формироваться атомам, уменьшая количество свободных электронов, рассеивающих фотоны, в момент, который космологи называют «последним рассеянием».

Уменьшение числа свободных электронов позволило фотонам свободно путешествовать, а это означало, что Вселенная внезапно перестала быть непрозрачной и стала прозрачной для света. И точно так же, как свет от других удаленных источников, реликтовое излучение может быть искажено галактиками с темной материей из-за гравитационного линзирования.

«Большинство исследователей используют галактики-источники для измерения распределения темной материи от настоящего до 8 миллиардов лет назад, — сказал в своем заявлении доцент Токийского университета Юити Харикане. Реликтовое излучение для измерения темной материи».

Команда объединила линзовые искажения большой выборки древних галактик с искажениями реликтового излучения, чтобы обнаружить темную материю, относящуюся к тому времени, когда Вселенной было всего 1,7 миллиарда лет, и эта древняя темная материя рисует совершенно другую космическую картину. «Впервые мы измеряли темную материю почти с самых ранних моментов существования Вселенной, — сказал Харикане.

12 миллиардов лет назад все было совсем по-другому. Вы видите больше галактик, находящихся в процессе формирования, чем в настоящее время, также начинают формироваться первые скопления галактик». Эти скопления могут состоять из от 100 до 1000 галактик, связанных гравитацией с большим количеством темной материи.

Является ли темная материя комковатой?

Одним из наиболее важных аспектов открытия команды является возможность того, что темная материя в ранней Вселенной менее комковатая, чем предполагают многие современные модели. Например, широко принятая модель Lambda-CDM предполагает, что крошечные флуктуации реликтового излучения должны были приводить к тому, что гравитация создавала плотно упакованные карманы вещества, которые в конечном итоге приводили к коллапсу вещества с образованием галактик, звезд и планет, очаги темной материи.

«Наши выводы все еще неопределенны, — сказал Харикане. — Но если они верны, это означает, что вся модель ошибочна по мере того, как вы углубляетесь в прошлое. может предложить улучшение модели, которое может дать представление о природе самой темной материи».

Команда продолжит собирать данные, чтобы оценить, соответствует ли модель Lambda-CDM наблюдениям за темной материей в ранней Вселенной или необходимо пересмотреть предположения, лежащие в основе модели.

Данные, которые команда использовала для своих выводов, были получены из исследования Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, в ходе которого анализируются данные с телескопа на Гавайях.

Карта распределения вещества может быть доступна, поскольку остальные наблюдения включены. Команда также с нетерпением ждет данных от Обсерватории Веры С. Рубин «Наследие пространства и времени» (LSST), которые могут позволить исследователям заглянуть в темную материю еще дальше в прошлое.

«LSST позволит нам наблюдать половину неба, — сказал Харикане, — я не вижу причин, по которым мы не смогли бы увидеть распределение темной материи 13 миллиардов лет назад».

Поделиться с друзьями: