Новые данные Хаббла предполагают, что в нынешних теориях о темной материи отсутствует ингредиент

Новые данные Хаббла предполагают, что в нынешних теориях о темной материи отсутствует ингредиент
На этом изображении космического телескопа Хаббла показано массивное скопление галактик MACSJ 1206. Внутри скопления есть искаженные изображения далеких фоновых галактик, видимые в виде дуг и размытых деталей. 
Эти искажения вызваны темной материей в скоплении, гравитация которой искривляет и увеличивает свет от далеких галактик. Этот эффект называется гравитационным линзированием. 
Это явление позволяет астрономам изучать удаленные галактики, которые в противном случае были бы слишком тусклыми, чтобы их можно было увидеть. 
Астрономы измерили количество гравитационного линзирования, вызванного этим скоплением, чтобы составить подробную карту распределения темной материи в нем. 
Темная материя – это невидимый клей, который связывает звезды внутри галактики и составляет основную часть материи Вселенной.

Наблюдения космического телескопа Хаббла НАСА / ЕКА и Очень большого телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили показали, что в теориях поведения темной материи может чего-то не хватать. Этот недостающий ингредиент может объяснить, почему исследователи обнаружили неожиданное несоответствие между наблюдениями за концентрацией темной материи в выборке массивных скоплений галактик и теоретическим компьютерным моделированием того, как темная материя должна распределяться в скоплениях. Новые результаты показывают, что некоторые мелкомасштабные концентрации темной материи вызывают эффекты линз, которые в 10 раз сильнее, чем ожидалось.

Темная материя – это невидимый клей, который удерживает звезды, пыль и газ в галактике. Это загадочное вещество составляет основную массу галактики и составляет основу крупномасштабной структуры нашей Вселенной. Поскольку темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет, ее присутствие известно только по ее гравитационному притяжению к видимой материи в космосе. Астрономы и физики все еще пытаются выяснить, что это такое.

Скопления галактик, самые массивные и недавно собранные структуры во Вселенной, также являются крупнейшими хранилищами темной материи. Скопления состоят из отдельных галактик-членов, которые удерживаются вместе в основном за счет гравитации темной материи.

«Скопления галактик – идеальные лаборатории для изучения того, хорошо ли численное моделирование Вселенной, доступное в настоящее время, воспроизводит то, что мы можем сделать с помощью гравитационного линзирования», – сказал Массимо Менегетти из INAF-обсерватории астрофизики и космической науки в Болонье, Италия. ведущий автор исследования.

«Мы провели много испытаний данных в этом исследовании, и мы уверены, что это несоответствие указывает на то, что какой-то физический ингредиент отсутствует либо в моделировании, либо в нашем понимании природы темной материи», – добавил Менегетти.

«В реальной Вселенной есть особенность, которую мы просто не фиксируем в наших нынешних теоретических моделях», – добавила Приямвада Натараджан из Йельского университета в Коннектикуте, США, один из ведущих теоретиков в команде. «Это может сигнализировать о пробеле в нашем нынешнем понимании природы темной материи и ее свойств, поскольку эти изысканные данные позволили нам исследовать детальное распределение темной материи на мельчайших масштабах».

Распределение темной материи в кластерах отображается путем измерения изгиба света – эффекта гравитационного линзирования, – который они производят. Гравитация темной материи, сосредоточенной в кластерах, увеличивает и искажает свет от далеких фоновых объектов. Этот эффект вызывает искажения формы галактик на заднем плане, которые появляются на изображениях скоплений. Гравитационное линзирование также часто позволяет получить несколько изображений одной и той же далекой галактики.

Чем выше концентрация темной материи в скоплении, тем более драматичным оно искажает световой эффект. Наличие более мелких сгустков темной материи, связанных с отдельными скоплениями галактик, увеличивает уровень искажений. В некотором смысле скопление галактик действует как крупномасштабная линза, в которую встроено множество линз меньшего размера.

Четкие изображения Хаббла были получены с помощью камеры Wide Field Camera 3 и Advanced Camera for Surveys. В сочетании со спектрами очень большого телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории команда создала точную карту темной материи с высокой точностью воспроизведения. Измеряя искажения линз, астрономы могли проследить количество и распределение темной материи. Три ключевых скопления галактик, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 и Abell S1063, были частью двух обзоров Hubble: The Frontier Fields и Cluster Lensing And Supernova с программами Hubble (CLASH).

К удивлению команды, в дополнение к драматическим дугам и удлиненным деталям далеких галактик, созданным гравитационным линзированием каждого скопления, изображения Хаббла также показали неожиданное количество дуг меньшего масштаба и искаженных изображений, вложенных около ядра каждого скопления, где наиболее массивные галактики обитают. Исследователи полагают, что вложенные линзы создаются гравитацией плотных концентраций вещества внутри отдельных скоплений галактик. Последующие спектроскопические наблюдения позволили измерить скорость звезд, вращающихся внутри нескольких скоплений галактик, чтобы таким образом определить их массы.

«Данные Хаббла и VLT обеспечили отличную синергию», – поделился член команды Пьеро Розати из Университета дельи Студи ди Феррара в Италии, который руководил спектроскопической кампанией. «Мы смогли связать галактики с каждым скоплением и оценить их расстояния».

«Скорость звезд дала нам оценку массы каждой отдельной галактики, включая количество темной материи», – добавил член команды Пьетро Бергамини из INAF-обсерватории астрофизики и космических наук в Болонье, Италия.

Объединив визуализацию Хаббла и VLT-спектроскопию, астрономы смогли идентифицировать десятки многократно отображаемых, линзированных, фоновых галактик. Это позволило им составить хорошо откалиброванную карту с высоким разрешением массового распределения темной материи в каждом скоплении.

Команда сравнила карты темной материи с образцами смоделированных скоплений галактик с аналогичными массами, расположенных примерно на таких же расстояниях. Скопления в компьютерной модели не показывают одинаковый уровень концентрации темной материи на самых маленьких масштабах – масштабах, связанных с отдельными скоплениями галактик.

«Результаты этого анализа дополнительно демонстрируют, как наблюдения и численное моделирование идут рука об руку», – сказала член группы Елена Расиа из INAF-Астрономической обсерватории Триеста, Италия.

«С помощью моделирования с высоким разрешением мы можем соответствовать качеству наблюдений, проанализированных в нашей статье, что позволяет проводить подробные сравнения, как никогда раньше», – добавил Стефано Боргани из Университета дельи Студи в Триесте, Италия.

Астрономы, в том числе члены этой команды, с нетерпением ждут продолжения исследования темной материи и ее тайн, чтобы наконец выяснить ее природу.


Источник истории:

Материалы предоставлены ЕКА / Информационным центром Хаббла . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.


Связанные мультимедиа :


Ссылка на журнал :

  1. 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, Эрос Ванцелла. В скоплениях галактик наблюдается избыток мелкомасштабных гравитационных линз . Наука , 2020 DOI: 10.1126 / science.aax5164