Темная материя, возможно, распределена более однородно, чем считалось

Хендрик Гильдебрандт (Hendrik Hildebrandt) из Argelander-Institut für Astronomie в Бонне (Германия) и Массимо Виола (Massimo Viola) из Лейденской обсерватории в Нидерландах возглавляют группу астрономов из различных институтов мира, которая занимается обработкой изображений обозрения KiDS. Обозрение Kilo Degree Survey – «Обзор Тысячи Квадратных Градусов» -- выполнено с телескопом ESO VST (VLT Survey Telescope) в Чили. Для своего исследования астрономы использовали изображения, покрывающие пять участков неба общей площадью примерно в 2200 раз большей, чем занимает на небе полная Луна (это соответствует примерно 450 квадратным градусам – немного более 1% всей площади неба), и содержащие примерно 15 миллионов галактик.

Исключительно высокое качество изображений, получаемых на Паранале с телескопом VST и использование новейших компьютерных программ обработки позволило исследователям выполнить одно из самых точных в истории измерений эффекта «космического сдвига» (cosmic shear). Это не что иное, как разновидность слабого гравитационного линзирования, при котором траектория света, излучаемого далекими галактиками, немного искривляется гравитационным полем огромных скоплений вещества, таких, как например, скопления галактик.

На следующем изображении приведена карта распределения темной материи во Вселенной, полученная по данным обозрения KiDS, выполненного с Обзорным телескопом VLT Survey Telescope в обсерватории ESO на горе Параналь в Чили. На карте прослеживается широкомасштабная паутинообразная структура, состоящая из плотных (светлых) и пустых (темных) областей. Представлен один из пяти участков неба, наблюдавшихся в рамках KiDS. На снимке невидимая темная материя обозначена красным; она покрывает область неба площадью примерно в 280 раз больше той, которую занимает полная Луна. Снимок демонстрирует результаты анализа света от более, чем двух миллионов удаленных галактик на расстояниях более 6 миллиардов световых лет. Изображения наблюдаемых галактик искривлены гравитационным воздействием темной материи.

На снимке заметны маленькие темные области с резкими границами. В этих точках расположены на небе яркие звезды и другие близкие космические объекты, оказавшиеся в наблюдавшихся площадках наряду с удаленными галактиками. Поскольку в этих точках измерения сигналов слабого линзирования невозможны, изображения этих объектов были удалены с карт при помощи маскирования.

Особенность космического сдвига в том, что его вызывают не скопления галактик, а крупномасштабные структуры Вселенной. При этом величина эффекта гораздо меньше. Такие широкие по площади и глубокие по проницающей силе обозрения, как KiDS, и нужны для того, чтобы можно было измерить крайне слабый эффект космического сдвига и использовать его для построения распределения гравитирующего вещества во Вселенной. В описываемой работе площадь небесной сферы, на которой картографировался космический сдвиг, больше, чем в каком-либо другом исследовании, выполненном этим методом.

Результат анализа оказался неожиданным: он разошелся с измерениями, выполненными с борта космического аппарата Европейского Космического Агентства «Планк», запущенного для изучения фундаментальных свойств Вселенной. В частности, измеренная группой KiDS неоднородность распределения вещества во Вселенной — один из ключевых космологических параметров — оказалась значительно меньше, чем определенная по данным «Планка». Измеряемый параметр называется S₈. Он представляет собой комбинацию пространственного масштаба флюктуаций плотности и средней плотности некоторого участка Вселенной. Большие флюктуации в областях Вселенной с малой плотностью дают тот же эффект, что и флуктуации меньшей амплитуды в более плотных областях, и различие между этими случаями невозможно установить наблюдениями слабого линзирования. Индекс 8 указывает на принятый в таких исследованиях размер ячейки пространства в 8 мегапарсек.

Вот что говорит Массимо Виола: “Наши измерения показывают, что темная материя в космической паутине, материя, которая составляет примерно четверть всего состава Вселенной, менее склонна к образованию конденсаций, менее «клочковата», чем мы до сих пор считали”.

Темная материя по-прежнему ускользает от непосредственного наблюдения: ее присутствие видно только по ее гравитационному воздействию на другие виды вещества во Вселенной. И такие работы сейчас являются наилучшим способом определения формы, масштабов и распределения этой невидимой субстанции.

Неожиданные результаты работы имеют значение и для нашего понимания свойств Вселенной, истории ее развития в течение почти 14 миллиардов лет ее существования. Видимое расхождение с данными миссии «Планк» показывает, что, возможно, астрономам теперь придется пересмотреть свое понимание некоторых фундаментальных аспектов эволюции Вселенной.

Об этом говорит Хендрик Гильдебрандт: “Наши результаты помогут улучшить теоретические модели развития Вселенной от момента ее образования вплоть до сегодняшнего дня”.

Выполненный группой KiDS анализ данных, полученных с телескопом VST, – большой шаг вперед, но мы ожидаем еще большего от телескопов будущего, которые дадут возможность делать более глубокие и широкие обозрения неба.

Ведущий соавтор исследования Кэтрин Хейманс из Эдинбургского университета в Великобритании добавляет: “Уяснение того, что произошло во Вселенной с момента Большого Взрыва – труднейшая и интереснейшая задача. Но, продолжая изучать удаленную Вселенную, мы можем надеяться построить картину эволюции Вселенной до наших дней.”

“Итак, на сегодняшний день обнаружено интригующее расхождение с космологической картиной «Планка». Повторить эти измерения и таким образом лучше понять, как на самом деле устроена Вселенная, помогут нам будущие космические миссии, такие, как спутник «Евклид» и Большой Синоптический Обзорный Телескоп (LargeSynopticSurveyTelescope)”, - заключает Конрад Кюйкен (Konrad Kuijken) из Лейденской обсерватории в Нидерландах, научный руководитель обозрения KiDS.

ESO