Темная материя — одна из самых больших загадок современной космологии. На ее долю приходится около 85% всей материи во Вселенной, что делает ее доминирующей силой, формирующей космический ландшафт. Ее нельзя увидеть или зафиксировать напрямую, она не испускает, не поглощает и не отражает свет. О ее существовании мы знаем лишь по гравитационному «шлейфу»: именно невидимая масса темной материи удерживает от разлетания галактики и управляет движением звезд внутри них. Долгие годы ключевой задачей для ученых было не только доказать ее существование, но и «нащупать» ее распределение в космосе. И теперь, благодаря новому поколению телескопов, мы впервые можем увидеть эту невидимую основу мироздания с беспрецедентной четкостью.
Прорыв в высоком разрешении
После десятилетий теоретических моделей и косвенных наблюдений международной группе астрономов удалось создать одну из самых точных и детальных на сегодня карт распределения темной материи в глубоком космосе. Это стало возможным благодаря данным космического телескопа «Джеймс Уэбб». Новая карта не просто фиксирует присутствие темной материи — она наглядно подтверждает фундаментальную теорию формирования Вселенной. Согласно ей, сначала под действием гравитации сгустилась и образовала невидимый каркас именно темная материя, и уже затем к этому каркасу, словно вода в ячейки губки, стекалась обычная, барионная материя, из которой и родились звезды, галактики и планеты.
«Темная материя — это гравитационные леса Вселенной, — объясняет соавтор исследования, астрофизик Ричард Масси из Даремского университета (Великобритания). — Это та невидимая структура, на которую нанизывается все, что мы видим в телескопы. И теперь мы можем наблюдать этот каркас с удивительной детализацией. Без этой невидимой основы гравитация обычной материи была бы слишком слаба, чтобы сформировать галактики. Наш Млечный Путь, со всеми его миллиардами звезд и планет, включая Землю, просто не существовал бы в своем нынешнем виде».
Фокус на крошечном участке неба
Парадоксально, но эта новаторская карта покрывает лишь крошечный фрагмент ночного неба — участок, всего в 2,5 раза превышающий площадь диска полной Луны. Однако на этом «клочке» космоса ученые идентифицировали около 800 000 галактик, многие из которых были неизвестны ранее. Эта же область два десятилетия назад была запечатлена космическим телескопом «Хаббл» в рамках легендарного проекта «Hubble Ultra-Deep Field». Теперь, совместив архивные данные «Хаббла» с новыми, невероятно чувствительными снимками «Уэбба», ученые получили уникальную временную шкалу, позволяющую проверить старые гипотезы и выявить новые закономерности в эволюции структур.
Ключевое преимущество «Джеймса Уэбба» — его способность видеть Вселенную в инфракрасном диапазоне. Инфракрасный свет проходит сквозь космическую пыль и растягивается из-за расширения Вселенной, что позволяет телескопу заглянуть в эпоху, когда формировались самые первые галактики. Именно это дает возможность проследить, как нити (филаменты) темной материи, образующие гигантскую «космическую паутину», эволюционировали на протяжении миллиардов лет. На карте отчетливо видно, как галактики, словно жемчужины, нанизаны на невидимые нити этой паутины, а между ними зияют гигантские пустоты — войды.
Как нарисовать карту невидимого
Но как можно составить карту того, что нельзя увидеть? Традиционно астрономы использовали эффект сильного гравитационного линзирования, когда скопление галактик или черная дыра своей массой настолько сильно искривляет пространство-время, что свет от фоновых объектов превращается в дуги и кольца. Однако для картирования более рассеянной темной материи ученые обратились к более тонкому методу — слабому гравитационному линзированию.
Его суть заключается в том, что даже разреженные сгустки темной материи слегка искажают форму далеких галактик, действуя как гигантская, но очень слабая линза. Это искажение практически незаметно для отдельной галактики, но становится статистически значимым при анализе сотен тысяч галактик на одном участке неба. Чем больше галактик наблюдалось, тем точнее можно было вычислить распределение невидимой массы, вызвавшей эти микро-искажения.
«Это похоже на то, как по шелесту и наклону всех деревьев в лесу можно составить карту невидимого ветра, — проводит аналогию Ричард Масси. — Мы наблюдаем не саму темную материю, а ее гравитационное "дыхание", запечатленное в форме бесчисленных галактик». Для сбора достаточного количества данных «Джеймс Уэбб» наблюдал этот небольшой участок неба в общей сложности 255 часов, что сделало это исследование одним из самых масштабных в первый год его научной работы.
Не просто карта
Создание карты — это только начало. Теперь ученые могут приступить к детальному анализу: как разные типы галактик соотносятся с плотностью темной материи? Как эволюционируют войды? Ответы на эти вопросы приблизят нас к решению главных загадок: что такое темная материя на фундаментальном уровне и как именно она управляла ростом галактик?
Карта от «Уэбба» появилась как нельзя вовремя. В ближайшие годы в игру вступят новые мощные инструменты: космический телескоп «Евклид» (ЕКА) и обсерватория «Нэнси Грейс Роман» (NASA, запуск запланирован на 2026-2027 гг.). Они проведут широкоугольные обзоры неба, картировав темную материю на невероятно больших площадях. Их данные, дополненные наблюдениями с земли (например, от обсерватории имени Веры Рубин в Чили), создадут беспрецедентную по полноте картину. Ученые уже работают над трехмерной версией карты, которая добавит временное измерение. Сочетая все эти данные, астрофизики надеются наконец определить свойства частиц темной материи — являются ли они массивными и «холодными» (как предполагает основная теория) или более легкими и подвижными.
Таким образом, эта первая детальная карта — не итог, а яркая точка отсчета в новой эре космологии, когда невидимая архитектура нашей Вселенной начинает проступать из тьмы.