Вчені виявили темну матерію навколо галактик, які існували близько 12 мільярдів років тому, що є найранішим виявленням цієї таємничої речовини, яка домінує у Всесвіті.
Висновки, отримані в результаті співпраці під керівництвом дослідників з японського Університету Нагоя, свідчать про те, що темна матерія в ранньому Всесвіті є менш «грудкою», ніж передбачають багато сучасних космологічних моделей. Якщо подальша робота підтвердить цю теорію, це може змінити розуміння вченими того, як розвиваються галактики, і припустити, що фундаментальні правила, які керують космосом, могли бути іншими, коли Всесвіту 13,7 мільярдів років було всього 1,7 мільярда років.
Ранній Всесвіт
Ключем до картографування темної матерії в дуже ранньому Всесвіті є космічний мікрохвильовий фон (КМФ, CMB), свого роду реліктове випромінювання, що залишилося від Великого вибуху, яке поширюється по всьому космосу.
«Подивіться на темну матерію навколо далеких галактик? Це була божевільна ідея. Ніхто не здогадувався, що ми можемо це зробити, — заявив професор Токійського університету Масамі Оучі. – Але після того, як я виступив із доповіддю про великий зразок віддаленої галактики, Хіронао підійшов до мене і сказав, що, можливо, можна побачити темну матерію навколо цих галактик за допомогою КМФ».
Оскільки світлу потрібен кінцевий час, щоб подолати віддалені об’єкти до Землі , астрономи бачать інші галактики такими, якими вони існували, коли спостережуване світло покидало їх. Чим віддаленіша галактика, тим довше світло йшло до нас, і тим далі ми бачимо їх у часі, тож ми бачимо найвіддаленіші галактики такими, якими вони були мільярди років тому, у зародковому Всесвіті.
Спостереження темної матерії ще складніше. Темна матерія – це таємнича речовина, яка становить близько 85% загальної маси Всесвіту. Вона не взаємодіє з матерією та світлом, як повсякденна матерія, що складається з протонів і нейтронів та наповнює зірки, планети та нас.
Виявлення «ранньої» темної матерії
Щоб взагалі «побачити» темну матерію, астрономи повинні покладатися на її взаємодію з гравітацією.
Згідно з теорією відносності Ейнштейна , об’єкти величезної маси викликають викривлення простору-часу. Поширеною аналогією є еластичний гумовий аркуш, що тримає м’ячі, маса яких зростає. Чим більша маса, тим більшу «вм’ятину» вона створює на аркуші. Подібним чином, чим більший космічний об’єкт, тим сильнішу викривленість простору-часу він викликає.
Гравітаційне лінзування
Масивні об’єкти, такі як галактики, змушують простір-час викривлятися настільки сильно, що світло від джерел позаду галактики викривляється, подібно до того, як відхиляється траєкторія кульки, розкатаної по натягнутому гумовому листу. Цей ефект зміщує положення джерела світла в небі, явище називається гравітаційним лінзуванням.
Щоб вивчити розподіл темної матерії в галактиці , астрономи можуть спостерігати, як змінюється світло від джерела позаду цієї галактики, коли воно проходить повз «галактику-лінзу». Чим більше темної матерії містить лінзова галактика, тим більше спотворення світла, що проходить через неї.
Але техніка має обмеження.
Оскільки найдавніші та найвіддаленіші галактики дуже тьмяні, коли астрономи дивляться глибше у Всесвіт і далі в минуле, ефект лінз стає більш тонким і його важко побачити, і вченим потрібно як багато фонових джерел, так і багато ранніх галактик з точковим лінзуванням темною матерією. Ця проблема обмежила картографування розподілу темної матерії галактиками, яким приблизно від 8 до 10 мільярдів років.
Реліктове випромінювання
Але КМФ є більш древнім джерелом світла, ніж будь-яка галактика. Реліктове випромінювання — це всюдисуще випромінювання, яке виникло, коли Всесвіт охолонув достатньо, щоб дозволити утворитися атомам, зменшуючи кількість вільних електронів, що розсіюють фотони, за мить, яку космологи називають «останнім розсіюванням». Зменшення кількості вільних електронів дозволило фотонам вільно подорожувати, а це означає, що Всесвіт раптово перестав бути непрозорим і став прозорим для світла.
І так само, як світло від інших віддалених джерел, КМФ може бути спотворено галактиками з темною матерією через гравітаційне лінзування.
«Більшість дослідників використовують вихідні галактики для вимірювання розподілу темної матерії від сьогодення до 8 мільярдів років тому, — зазначив доцент Токійського університету Юічі Харікане. – Однак ми могли б зазирнути в минуле, оскільки ми використовували більш віддалену КМФ для вимірювання темної матерії».
Інша картина
Команда поєднала викривлення лінз великої вибірки стародавніх галактик із спотвореннями КМФ, щоб виявити темну матерію, яка датується, коли Всесвіту було лише 1,7 мільярда років. І ця стародавня темна матерія малює зовсім іншу космічну картину.
«Ми вперше вимірювали темну матерію майже з найдавніших моментів існування Всесвіту, — сказав Харікане. – 12 мільярдів років тому все було зовсім інакше. Ви бачите більше галактик, які перебувають у процесі формування, ніж зараз; перші скупчення галактик також починають формуватися».
Ці скупчення можуть складатися з 100 – 1000 галактик, пов’язаних із великою кількістю темної матерії гравітацією.
Одним з найбільш важливих аспектів висновків команди є можливість того, що темна матерія була менш складною в ранньому Всесвіті, ніж це припускають багато сучасних моделей.
Лямбда-CDM модель
Наприклад, широко прийнята лямбда-CDM модель припускає, що крихітні коливання КМФ повинні були призвести до утворення щільно упакованих кишень матерії через силу тяжіння. Ці коливання зрештою призводять до колапсу матерії з утворенням галактик, зірок і планет, а також мають призвести до щільних кишень темної матерії.
“Наша знахідка все ще невизначена, – сказав Харікане. – Але якщо це правда, це свідчить про те, що вся модель має недоліки, коли ви повертаєтеся далі в минуле. Це захоплююче, тому що якщо результат збережеться після зменшення невизначеності, це може свідчити про вдосконалення моделі, яке може дати розуміння у природі самої темної матерії».
Команда продовжить збирати дані, щоб оцінити, чи відповідає модель Lambda-CDM спостереженням темної матерії в ранньому Всесвіті, або припущення, що лежать в основі моделі, потрібно переглянути.
Дані, використані командою для досягнення своїх висновків, походять від дослідження Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, яке аналізує дані телескопа на Гаваях. Але на даний момент дослідники використали лише третину цих даних, а це означає, що краща карта розподілу темної матерії може бути доступна, коли будуть включені інші спостереження.
Команда також з нетерпінням чекає на дані з огляду простору і часу (LSST) обсерваторії Віри С. Рубін , які дозволять дослідникам поглянути на темну матерію ще далі в минуле.
“LSST дозволить нам спостерігати половину неба, – додав Харікане. – Я не бачу жодної причини, чому б ми не могли побачити розподіл темної матерії 13 мільярдів років тому».
