Астрономы обнаружили несоответствие между теоретическими моделями того, как темная материя должна распределяться в скоплениях галактик, и наблюдениями за захватом темной материи скоплениями. Темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет. Ее присутствие известно только по ее гравитационному притяжению к видимым объектам в космосе. Таким образом, темная материя остается такой же неуловимой, как Чеширский кот из Алисы в стране чудес, где вы видите только его ухмылку (в форме гравитации), но не само животное.
Один из способов, которым астрономы могут обнаружить темную материю, – это измерение того, как ее гравитация искажает пространство, эффект, называемый гравитационным линзированием.
Исследователи обнаружили, что мелкомасштабные концентрации темной материи в скоплениях вызывают эффекты гравитационного линзирования, которые в 10 раз сильнее, чем ожидалось. Это свидетельство основано на беспрецедентно подробных наблюдениях нескольких массивных скоплений галактик с помощью космического телескопа НАСА Хаббл и Очень большого телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили.
Скопления галактик, самые массивные структуры во Вселенной, состоящие из отдельных галактик-членов, являются крупнейшими хранилищами темной материи. Они не только удерживаются вместе в значительной степени гравитацией темной материи, но и сами скопления галактик изобилуют темной материей. Таким образом, темная материя в скоплениях распространяется как на большие, так и на мелкие масштабы.
«Скопления галактик – идеальные лаборатории, чтобы понять, правильно ли компьютерное моделирование Вселенной воспроизводит то, что мы можем сказать о темной материи и ее взаимодействии с видимой материей», – сказал Массимо Менегетти из INAF (Национального института астрофизики) – Обсерватории астрофизики и космических наук из Болоньи в Италии, ведущий автор исследования. – Мы провели много тщательных испытаний, сравнивая моделирование и данные в этом исследовании, и наш вывод о несоответствии сохраняется. Одна из возможных причин этого несоответствия заключается в том, что мы, возможно, упускаем некоторые ключевые физические данные в моделировании».
Приямвада Натараян из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, одна из старших теоретиков в команде, добавила: «В реальной вселенной есть особенность, которую мы просто не улавливаем в наших текущих теоретических моделях. Это может сигнализировать о пробеле в нынешнем понимании природы темной материи и ее свойств, поскольку эти изысканные данные позволили нам исследовать детальное распределение темной материи на мельчайших масштабах».
Четкие изображения телескопа Хаббла в сочетании со спектрами VLT помогли команде создать точную карту темной материи с высокой точностью воспроизведения. Они идентифицировали десятки многократно отображаемых линзированных фоновых галактик. Измеряя искажения линз, астрономы могли проследить количество и распределение темной материи.
Три ключевых скопления галактик, использованные в анализе, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 и Abell S1063, были частью двух обзоров Хаббла: The Frontier Fields и обзора Cluster Lensing And Supernova с Hubble (CLASH) программы.
К удивлению команды, изображения Хаббла также выявили дуги меньшего масштаба и искаженные изображения, вложенные в искажения линз большего размера в ядре каждого скопления, где находятся самые массивные галактики.
Исследователи полагают, что встроенные линзы являются результатом гравитации плотных концентраций темной материи, связанной с отдельными скоплениями галактик. Известно, что распределение темной материи во внутренних областях отдельных галактик усиливает общий эффект линзирования скопления.
Последующие спектроскопические наблюдения добавились к исследованию путем измерения скорости звезд, вращающихся внутри нескольких галактик скопления. «Основываясь на нашем спектроскопическом исследовании, мы смогли связать галактики с каждым скоплением и оценить их расстояния», – сказал член команды Пьеро Розати из Университета Феррары в Италии.
«Скорость звезд дала нам оценку массы каждой отдельной галактики, включая количество темной материи», – добавил член группы Пьетро Бергамини из обсерватории астрофизики и космических исследований INAF в Болонье, Италия.
Команда сравнила карты темной материи с образцами смоделированных скоплений галактик с аналогичными массами, расположенных примерно на тех же расстояниях, что и наблюдаемые скопления. Скопления в компьютерном моделировании не показали одинаковый уровень концентрации темной материи на мельчайших масштабах – масштабах, связанных с отдельными скоплениями галактик, как это видно во Вселенной.
Команда надеется продолжить стресс-тестирование стандартной модели темной материи, чтобы выявить ее интригующий характер.
Разрабатываемый НАСА космический телескоп Nancy Grace Roman позволит обнаруживать еще более далекие галактики с помощью гравитационного линзирования массивных скоплений галактик. Наблюдения увеличат выборку скоплений, которую астрономы смогут проанализировать для дальнейшего тестирования моделей темной материи.
