Участники совместного проекта Atacama Cosmology Telescope (ACT) создали новую карту распределения темной материи, используя свет от космического микроволнового фона (CMB).
Карта охватывает четверть небесной сферы и устремляется в глубины космоса. Также она подтверждает истинность общей теории относительности Эйнштейна и его предсказаний о влиянии массы на искривление пространства-времени.
Космическое микроволновое фоновое излучение
В 1960-х годах Пензиас и Уилсон, два радиоастронома, обнаружили микроволновой фон, равномерный во всех направлениях. Радиоизлучение не имело конкретного источника и было наблюдаемо в любое время суток и года. Сейчас его называют космическим микроволновым фоновым излучением и считают основой теории Большого взрыва.
Эта теория утверждает, что при рождении Вселенной около 14 миллиардов лет назад она состояла из плазмы частиц — протонов, нейтронов и электронов — и фотонов при высокой температуре. Фотоны постоянно взаимодействовали с свободными электронами, неспособными преодолеть большие расстояния из-за частых столкновений с новыми электронами. В результате Вселенная была непрозрачной.
Вселенная расширялась, и при этом остывала, поскольку фиксированное количество энергии распределялось на всё большую площадь. Через около 380 000 лет её температура снизилась до 3000 К (примерно 2700ºC), что позволило электронам соединиться с протонами и сформировать атомы водорода. Из-за отсутствия свободных электронов, с которыми можно было бы взаимодействовать, фотоны свободно распространялись по Вселенной, сделав её прозрачной.
Фотоны, входящие в CMB, как и все остальные во Вселенной, испытывают красное смещение. Благодаря этому явлению можно определить эпоху фотонов, а также построить временную карту расширения Вселенной. Таким образом астрономы могут измерить скорость расширения.
CMB как инструмент для исследования темной материи
Согласно наиболее распространенной космологической модели, называемой моделью холодной темной материи Лямбда (Lambda CDM), темная материя составляет 85% массы космоса. Она не взаимодействует с обычной материей через электрослабые или сильные ядерные силы, а только через гравитацию — самую слабую из сил.
Для отслеживания этой иллюзорной и неосязаемой массы участники проекта ACT применяют миллиметровый волновой телескоп, установленный в обсерватории Льяно-де-Чайнантор в Чили. В трех статьях, опубликованных в журнале The Astrophysical Journal, команда использовала данные ACT Data Release 6 (DR6), включающие пять сезонов наблюдений температуры и поляризации CMB.
Эта яркая картинка CMB, по сути, служила для подсветки всей материи, возникшей между нашим временем и Большим взрывом. Как будто мы фотографируем силуэт человека, но вместо лица или тела видим скопления темной материи, словно свет проникает сквозь занавес из ткани, полную сгустков и неровностей.
Новая карта
Самое известное изображение всего неба на основе космического микроволнового фона (КМВФ) основано на данных, собранных зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) с 2001 по 2003 год. Эта миссия, работавшая до 2010 года, базировалась на более ранней работе Исследователя космического фона (COBE), который собирал данные о КМВФ с 1989 по 1993 год. Затем появился спутник ЕКА «Планк», измерявший КМВФ с 2009 по 2013 год для составления карты крошечных температурных колебаний. В результате появились все более точные карты, предоставившие информацию об эволюции космоса и его начальных условиях.
Новое исследование сделало шаг вперед в изучении темной материи. Астрономы ACT использовали карты для количественной оценки ее эволюции, 85% которой составляет темная материя. Команда исследовала влияние гравитации этой загадочной массы на кривизну пространства-времени между реликтовым излучением и Землей. Это эффективно показало, как большие скопления массы (как видимые, так и невидимые) изменяют путь света за миллиарды лет его пути до нас.
Группа исследователей проследила, как гравитационное притяжение массивных структур темной материи искажает реликтовое излучение во время его 14-миллиардного пути к нам. Полученная карта демонстрирует «строительные леса» темной материи, которая удерживает видимую материю, окружает и связывает галактики и скопления галактик.
Подтверждение космологических моделей и проблема «напряжения Хаббла»
Блейк Шервин, соавтор исследования и профессор космологии Кембриджского университета, говорит о том, как полученные результаты подтверждают теоретические космологические модели. Распределение темной материи в небе совпадает с предсказаниями наших теорий.
Измерения также демонстрируют, что нерегулярность Вселенной и её скорость роста после 14 миллиардов лет развития полностью совпадают с предсказаниями нашей стандартной модели космологии, которая основана на теории Эйнштейна.
Результаты могут предоставить новые сведения о так называемом напряжении Хаббла: различие в значении постоянной Хаббла при измерении по реликтовому излучению (67 км/с/Мпк) и наблюдениям за местными звездами (73 км/с/Мпк). Эта константа определяет скорость расширения нашей Вселенной.
Отклонение может указывать на то, что модель Lambda CDM некорректна. Несоответствие моделей могло бы означать, что мы не понимаем, как расширяется наша Вселенная и какая материя её составляет. Но последние результаты команды ACT позволили точно определить размер и распределение скоплений темной материи и подтвердить, что они согласуются с моделью Lambda CDM.
Директор ACT Сюзанна Стаггс, чей коллектив разработал детектиры, собранные за последние пять лет, полагает, что новая карта сможет трансформировать данный «кризис» в шанс.
«CMB уже славится своими уникальными измерениями первозданного состояния Вселенной. Сейчас у нас есть вторая карта Вселенной в ее ранних этапах. Вместо «кризиса» представляется уникальная возможность использовать разные наборы данных совместно. Наша карта охватывает всю темную материю начиная с Большого взрыва, а другие карты относятся к периоду около 9 миллиардов лет назад, что дает нам слой, расположенный значительно ближе к нам. Сравнивая эти два набора данных можно узнать о развитии структур во Вселенной. «.
Успешное продвижение науки в данной области станет возможным благодаря миссии ЕКА «Евклид», ориентированной на исследование темной материи и темной энергии. В случае реализации плана, к концу года ожидается получение первых научных данных от необычной космической обсерватории.