Ученые создали самую детальную на сегодняшний день карту распределения темной материи во Вселенной и показали, как именно эта невидимая субстанция влияет на формирование звезд, галактик и, в конечном итоге, планет. Работа выполнена международной группой исследователей с участием астрономов Даремского университета в Великобритании, Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Все результаты основаны на новых наблюдениях космического телескопа Джеймса Уэбба.
Темная материя не излучает свет, не отражает его и не взаимодействует с обычным веществом привычными нам способами. Мы не можем увидеть ее напрямую, но можем наблюдать ее гравитационное влияние. Именно это и позволило ученым буквально «проявить» ее на карте Вселенной.
Современная космология предполагает, что в ранней Вселенной темная и обычная материя были распределены достаточно разреженно. Однако темная материя начала скапливаться первой, образуя своеобразные гравитационные каркасы, которые затем притягивали к себе газ и пыль. В этих уплотнениях со временем начали формироваться звезды и галактики. Именно поэтому сегодня крупномасштабная структура Вселенной выглядит так, как мы ее наблюдаем, с нитями, скоплениями и пустотами между ними.
Новая карта подтверждает эту картину, но делает ее гораздо более детальной. Она показывает, что распределение видимого вещества и темной материи не случайно совпадает: обычная материя буквально как бы следует за гравитационными структурами, сформированными темной материей на протяжении всей истории Вселенной.
Хотя темная материя не взаимодействует с нами напрямую, она активно влияет на все через гравитацию. Миллиарды ее частиц проходят через Землю и человеческое тело каждую секунду, не оставляя следа. Но именно массивное облако темной материи, окружающее Млечный Путь, удерживает нашу галактику в целостности. Без этого гравитационного якоря галактический диск просто бы распался из-за вращения.
Для построения карты ученые использовали эффект гравитационного линзирования. Масса темной материи искривляет пространство-время, а вместе с ним и путь света от далеких галактик. В результате изображения этих галактик искажаются, как если бы мы смотрели на них через неровное стекло. Анализируя эти искажения, астрономы могут восстановить распределение невидимой массы.
Телескоп Джеймса Уэбба наблюдал участок неба в созвездии Секстанта общей площадью примерно в 2,5 раза больше, чем видимый диск полной Луны. В сумме он провел там около 255 часов наблюдений и зафиксировал почти 800 тысяч галактик, многие из которых ранее вообще не регистрировались другими инструментами.
Полученная карта содержит примерно в 10 раз больше объектов, чем аналогичные карты, созданные наземными обсерваториями, и в 2 раза больше, чем карты, полученные телескопом Hubble. Это позволило увидеть новые скопления темной материи и значительно уточнить структуру уже известных областей.
Дополнительно команда использовала прибор MIRI (Mid-Infrared Instrument) на борту Уэбба, который работает в среднем инфракрасном диапазоне. Он позволяет точнее определять расстояния до галактик и обнаруживать объекты, скрытые за плотными облаками космической пыли. В разработке этого инструмента участвовал и Даремский университет.
По словам доктора Дианы Сконьямильо из JPL, это самая крупная и самая четкая карта темной материи, созданная с помощью Джеймса Уэбба, и она в 2 раза превосходит по разрешению все предыдущие подобные проекты. Если раньше ученые видели лишь размытое представление о распределении темной материи, то теперь перед ними появляется детальная картина невидимого каркаса Вселенной.
В дальнейшем исследователи планируют расширить картографирование темной материи на гораздо большие области космоса с помощью телескопа Euclid Европейского космического агентства и будущего телескопа NASA Nancy Grace Roman. Это позволит глубже изучить фундаментальные свойства темной материи и понять, как ее роль менялась на разных этапах космической истории.
При этом именно изученный сейчас участок неба станет базовой точкой отсчета для всех будущих карт и сравнений, своеобразным эталоном, на который будут ориентироваться следующие исследования.