На этой карте показано распределение темной материи в космическом поле, наблюдаемое космическим телескопом Хаббла (слева) и космическим телескопом Джеймса Уэбба (справа). Распределение темной материи в КОСМИЧЕСКОМ поле. Наложенные контуры обозначают области с одинаковой плотностью темной материи, подчеркивая, где эта невидимая материя, показанная здесь синим цветом, наиболее сильно сконцентрирована. Автор: доктор Гэвин Лерой/профессор Ричард Мэсси/Сотрудничество COSMOS и Webb.
Ученые составили самую подробную из когда-либо созданных карт темной материи, которая распространена по всей Вселенной, и показали, как она повлияла на формирование звезд, галактик и планет.
Исследование, в котором приняли участие астрономы из Даремского университета в Великобритании, дает новое представление о том, как это невидимое вещество помогло объединить обычную материю, образовав галактики, такие как Млечный Путь, и, в конечном счете, планеты, подобные Земле.
Полученные результаты основаны на новых наблюдениях с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (Webb) НАСА и опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Международное исследование проводилось совместно Университетом Дарема, Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL) и Федеральной политехнической школой Лозанны (EPFL), Швейцария.
Как Темная материя сформировала Вселенную, которую мы видим сегодня
Недавно созданная карта подтверждает результаты предыдущих исследований, раскрывая при этом более тонкие детали взаимосвязи между темной материей и обычной материей, из которой состоит все, что мы можем видеть, осязать и с чем взаимодействуем.
В начале существования Вселенной как темная материя, так и обычная материя, вероятно, были равномерно распределены в пространстве. Ученые полагают, что темная материя начала собираться в комки первой. Затем ее гравитация притянула обычную материю, создав плотные области, в которых могли начать формироваться звезды и галактики.
Этот процесс определил общую схему распределения галактик по Вселенной сегодня. Позволяя галактикам и звездам формироваться раньше, чем они могли бы образоваться в противном случае, темная материя также помогла создать условия, необходимые для развития планет. Без этого раннего воздействия элементы, необходимые для жизни, возможно, никогда бы не сформировались в нашей галактике.
: «Выявляя темную материю с беспрецедентной точностью, наша карта показывает, как невидимый компонент Вселенной структурировал видимую материю до такой степени, что это позволило возникнуть галактикам, звездам, и, в конечном счете, сама жизнь. Эта карта показывает невидимую, но важную роль темной материи, истинного архитектора Вселенной, которая постепенно формирует структуры, которые мы наблюдаем в наши телескопы», — сказал соавтор исследования доктор Гэвин Лерой (Gavin Leroy) из Института вычислительной космологии физического факультета Университета Дарема (Durham University).
Обнаружение невидимого с помощью гравитации
Темную материю невозможно увидеть непосредственно, потому что она не излучает, не отражает, не поглощает и не блокирует свет. Она также перемещается сквозь обычную материю, не взаимодействуя с ней, подобно призраку.
Ее присутствие определяется с помощью силы тяжести. Новая карта показывает этот эффект с большей ясностью, чем когда-либо прежде. Одним из ключевых доказательств является то, насколько точно карты темной материи совпадают с картами обычной материи.
По словам исследователей, наблюдения Уэбба показывают, что такое совпадение не случайно. Напротив, оно отражает гравитационное притяжение темной материи, притягивающее к ней обычную материю на протяжении всей истории Вселенной.
«Везде, где вы сегодня обнаруживаете обычную материю во Вселенной, вы также обнаруживаете темную материю. Миллиарды частиц темной материи проходят через ваше тело каждую секунду. Ничего страшного, они нас не замечают и просто продолжают двигаться. Но все это клубящееся облако темной материи вокруг Млечного Пути обладает достаточной гравитацией, чтобы удерживать всю нашу галактику вместе. Без темной материи Млечный Путь развалился бы на части». — говорит соавтор исследования, профессор Ричард Мэсси (Richard Massey) из Института вычислительной космологии физического факультета Даремского университета.
Глубокий взгляд Уэбба на космос
Карта охватывает область неба, примерно в 2,5 раза превышающую размер полной Луны, расположенную в созвездии Секстанта.
Уэбб наблюдал за этой областью в течение примерно 255 часов и идентифицировал почти 800 000 галактик, многие из которых были замечены впервые. Чтобы обнаружить темную материю, команда ученых измерила, как ее масса искривляет пространство, что, в свою очередь, искривляет свет, идущий к Земле из далеких галактик, — как если бы этот свет проходил через искривленное оконное стекло.
Полученная карта содержит примерно в десять раз больше галактик, чем предыдущие наземные карты того же региона, и в два раза больше, чем те, которые были составлены с помощью космического телескопа «Хаббл». На ней показаны новые концентрации темной материи и гораздо более четкое изображение областей, ранее наблюдавшихся «Хабблом».
Соавтор исследования доктор Диана Скоугнамильо (Diana Scognamiglio) из Лаборатории реактивного движения НАСА сказала: «Это самая большая карта темной материи, которую мы сделали с Webb, и она в два раза четче, чем любая карта темной материи, сделанная другими обсерваториями.
«Раньше мы смотрели на размытую картину темной материи. Теперь мы видим невидимые строительные леса Вселенной в потрясающих деталях, благодаря невероятному разрешению Webb».
Инструменты и будущие исследования
Чтобы улучшить измерения расстояний до многих галактик на карте, исследовательская группа использовала прибор Уэбба в среднем инфракрасном диапазоне (MIRI).
Центр внегалактической астрономии Даремского университета внес свой вклад в разработку MIRI, который был разработан и запущен в эксплуатацию JPL. Прибор особенно эффективен при обнаружении галактик, скрытых за густыми облаками космической пыли.
Команда планирует расширить свою работу, составив карту темной материи по всей Вселенной с помощью телескопа Европейского космического агентства (ЕКА) «Евклид» и космического телескопа НАСА «Нэнси Грейс Роман», который готовится к запуску. Эти будущие наблюдения помогут ученым лучше понять основные свойства темной материи и то, как она могла эволюционировать в течение космического времени.
Область неба, проанализированная в этом исследовании, послужит отправной точкой, позволяющей сравнивать и уточнять будущие карты темной материи с большей точностью.
Последнее исследование финансировалось НАСА, RCUK/Советом по научно-техническому обеспечению (STFC), Государственным секретариатом Швейцарии по образованию, исследованиям и инновациям (SERI), Центральным лазерным центром RCUK/STFC в лаборатории Резерфорда Эпплтона и Национальным центром космических исследований.