Темная материя остается загадочной и… ну… темной. Хотя у нас еще нет определенного представления о том, из чего состоит этот космический «вещество», астрономы узнают больше о его распространении во Вселенной. Поскольку мы не можем видеть его напрямую, наблюдателям приходится использовать косвенные методы для его обнаружения. Один из способов — гравитационное линзирование. Другой вариант — поиск выбросов газообразного водорода, связанных с мелкомасштабными структурами темной материи во Вселенной.
Группа астрономов под руководством Кайки Таро Иноуэ из Университета Киндай в Японии использовала Большую миллиметровую решетку Атакамы в Чили для изучения удаленной системы гравитационных линз под названием MG J0414+534. Массивная галактика на переднем плане искривляет и искажает свет далекого квазара, который находится на расстоянии около 11 миллиардов световых лет. Результатом стали четыре изображения квазара. Проанализировав данные, команда обнаружила на изображениях некоторые странные аномалии. На самом деле это вариации распределения темной материи на луче зрения между нами и квазаром. Гравитационная линза увеличила колебания, и анализ данных позволил им нанести на карту колебания в масштабе 30 000 световых лет.
Что означают капли темной материи
Во всей Вселенной темная материя связана с массивными галактиками и скоплениями галактик. Однако мелкомасштабные сгустки и распределения не так хорошо изучены. Итак, астрономы хотят найти способы нанести на карту меньшие его концентрации. Гравитационное линзирование предоставляет один из способов сделать это. В случае MG J0414+0534 положение и форма линзированных изображений квазара выглядят немного странно. Они не соответствуют модели гравитационного линзирования, предсказанной, если подставить числа для галактики и связанного с ней компонента темной материи.
Флуктуации указывают на то, что существует эффект гравитационного линзирования от меньших концентраций, в дополнение к эффекту галактики и ее оболочки из темной материи. При этом наблюдаются пространственные колебания плотности темной материи вплоть до размеров около 30 000 световых лет. Это намного меньше, чем то, что ученые называют «космологическим масштабом» для более крупных концентраций (несколько десятков миллиардов световых лет).
Интересно, что работа команды показывает, что такие меньшие концентрации соответствуют предсказаниям о холодной темной материи (CDM). По сути, это говорит о том, что сгустки темной материи существуют внутри галактик, но также могут населять межгалактическое пространство. Эффекты гравитационного линзирования, вызванные сгустками темной материи, обнаруженные в этом исследовании, настолько малы, что чрезвычайно трудно обнаружить их в одиночку. Вот почему команда использовала ALMA для обнаружения колебаний. Он может обеспечить радионаблюдения с очень высоким разрешением колебаний, вызванных меньшими концентрациями темной материи.
Беззвездное гало темной материи в локальной вселенной?
Астрономы использовали гигантский радиотелескоп, Сферический радиотелескоп с пятью апертурами (FAST) в Китае, чтобы изучить еще один интересный объект, связанный с темной материей, который находится вблизи галактики M94. Система, которую они называют «Облако-9», является источником 21-сантиметрового радиоизлучения холодного нейтрального межзвездного водорода. Интересно, что Облако-9 выглядит относительно беззвездным. Итак, астрономы, использующие FAST, задались вопросом, может ли это 21-сантиметровое излучение облака функционировать как индикатор темной материи. В препринте они описывают Облако-9 как очень похожее на нечто, называемое HI Cloud с ограничением RE-ионизации (RELHIC). По сути, РЕЛИК — это беззвездное гало темной материи. Он заполнен газом, находящимся в равновесии с космическим ультрафиолетовым фоном. (Это «отмывка» УФ-излучения, производимого звездами и галактиками.)
Оказывается, в самой популярной модели холодной темной материи галактики формируются в центрах гало определенного размера. Модели также показывают, что должно существовать несколько коллапсирующих гало темной материи. И нет никаких причин, по которым во Вселенной не должно быть «сгустков» меньшего размера. Интересно, что многие версии гало темной материи с малой массой остаются темными или беззвездными даже после миллиардов лет космической эволюции. Так что, по сути, не каждое такое гало содержит галактику. RELHIC — это гало, у которых нет звезд (или, по крайней мере, ни одной звезды, обнаруженной до сих пор).
Наблюдение за Облаком-9
Команда под руководством астронома Алехандро Бенитеса-Лламбрая из Университета Милана Бококка в Италии сообщает, что Облако-9 представляет собой расширенное облако HI. Там измерили плотность столба газа. Его характеристики указывают на то, что он связан с ореолом темной материи. Если это холодная темная материя RELHIC и она находится на расстоянии (или близко) к M94 (около 18 миллионов световых лет), то это делает ее одной из самых близких известных RELHIC.
Облако-9 потребует гораздо большего изучения, и авторы текущей работы предполагают, что необходимы наблюдения с более высоким разрешением. Во-первых, необходимо точно определить расстояние. Таким образом, в будущем можно будет проводить наблюдения с использованием телескопа MeerKAT, Very Large Array или даже FAST в Китае. Последующие наблюдения с использованием космического телескопа «Хаббл» могут помочь астрономам выяснить, действительно ли Облако-9 имеет какие-либо звездные компоненты.
Авторы предполагают, что в центре этого загадочного облака может находиться галактика, но оно слишком слабое, чтобы его можно было обнаружить. Конечно, в ранней Вселенной галактики и звезды формировались в результате гравитационного роста флуктуаций плотности темной материи. Водород и гелий (строительные блоки звезд) были привлечены сгустками темной материи и начали формировать звезды. Однако это применимо к распределению темной материи в галактике и в более крупных масштабах. Скопления темной материи в меньших масштабах, как, например, в Облаке-9, на самом деле еще недостаточно изучены. Вот почему дальнейшие наблюдения Облака-9 определенно помогут определить весь объем содержания в нем темной материи. Они также могли бы пролить свет на то, как формируются галактики в небольших масштабах из более мелких скоплений темной материи.
Для дополнительной информации
Новые космологические ограничения на природу темной материи
Измерение ALMA спектров силы линзирования в масштабе 10 кпк в направлении линзированного квазара MG J0414+0534.
Является ли недавно обнаруженное облако HI вблизи M94 беззвездным ореолом темной материи?
