Концептуальная схема системы из гравитационной линзы, создающей изображения квазара MG J0414+0534. Темная материя, связанная с линзирующей галактикой, показана бледно-голубым и белым цветом. Темная материя в межгалактическом пространстве показана оранжевым цветом. Сплошные линии показывают действительные пути радиоволн, которые искривляются под действием гравитации галактики и темной материи вокруг нее. Пунктирные линии показывают видимые наблюдаемые положения линзированных изображений / © NAOJ, K. T. Inoue
Японские астрономы провели серию наблюдений за излучением аномального квазара, свет от которого преломляется галактической гравитационной линзой. Собранные данные и новый метод их обработки позволили изучить флуктуации распределения темной материи в невиданных ранее деталях.
Понятие темной материи исторически возникло из-за необходимости решения проблемы скрытой массы во Вселенной. Введение этого понятия позволило объяснить различия между теоретическими предсказаниями и астрономическими наблюдениями характера вращения галактик и силы гравитационного линзирования.
Так, если бы во Вселенной существовала только видимая материя, то периферические части галактических дисков вращались бы медленнее наблюдаемого, а гравитационное линзирование далеких объектов в норме было бы заметно слабее. Только предположение о некоей скрытой массе позволяет решить эту загадку. Причем, согласно общепринятой сегодня космологической теории, в наблюдаемой нами части Вселенной этой невидимой материи должно быть в пять раз больше, чем привычной нам барионной.
Поскольку о присутствии темной материи можно узнать только через гравитационные эффекты на масштабах звезд и галактик, астрономам приходится полагаться лишь на случайные «естественные эксперименты», заключающиеся в особом расположении небесных тел.
Одним из таких экспериментов для группы японских астрономов стали квазар MG J0414+0534, чей свет шел до нас 11,2 миллиарда лет, и находящаяся между ним и Землей гравитационная линза. Последняя образована массивной галактикой, а также темной материей вокруг нее.
Вследствие искривления пространства видимая материя галактики и невидимая темная материя создают четыре линзированных изображения далекого квазара. Часто в подобных случаях наблюдаются аномалии в распределении сигнала от разных изображений, приводящих к существенным отклонениям наблюдательных данных от теоретических прогнозов. Эти отклонения обычно объясняют наличием дополнительного небольшого гало темной материи, имеющего умеренную массу и находящегося либо возле основного гало галактики, либо в межгалактическом пространстве.
Различные модели темной материи по-разному описывают и флуктуации в распределении подобных сгустков во Вселенной. Наиболее точно гравитационные эффекты невидимой материи на масштабах более трех миллионов световых лет описывает модель холодной темной материи (CDM). Для более точного и детального описания необходимо выяснить, можно ли введением флуктуирующего распределения темной материи в межгалактическом пространстве объяснить наблюдаемые аномалии в линзирующих изображениях.
Проблема заключается в том, что для оценки масштабов флуктуаций необходимо измерить астрометрические сдвиги сигналов от линзированных изображений, вызванных ими. Обычно это едва уловимые эффекты, которые с уверенностью можно наблюдать лишь в случаях сильного гравитационного линзирования, как в случае MG J0414+0534. Для изучения изображений квазара, созданных массивной галактической линзой, японские исследователи использовали комплекс радиотелескопов ALMA и новый метод анализа данных.
Флуктуации темной материи в системе линз, создающих четыре изображения квазара MG J0414+0534. Беловато-синий — гравитационно-линзированные изображения, наблюдаемые ALMA. Рассчитанное распределение темной материи показано оранжевым цветом. Более яркие области указывают на более высокие концентрации темной материи, а темно-оранжевые области указывают на более низкие концентрации / © ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue et al.
Наблюдения с помощью антенной решетки со сверхдлинной базой (VLBA) позволили ученым разрешить мелкомасштабную структуру флуктуаций межгалактической темной материи с детализацией, позволяющей различать объекты в 30 тысяч световых лет и менее (что, например, втрое меньше ширины Млечного Пути). Новые измерения не только согласуются с предсказаниями CDM, но и позволяют заметно расширить область применимости этой модели. Более подробно с результатами работы можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.
Авторы работы предположили, что найденные ими с помощью гравилинзирования флуктуации в распределении темной материи объясняются небольшими «субгало» темной материи, которые находятся вне больших галактик. Стоит отметить, что небольшие, компактные источники гравитационного линзирования предлагает и другая модель темной материи, согласно которой она состоит из шаровых скоплений черных дыр.