Японские астрономы провели серию наблюдений за излучением необычного квазара, свет от которого искажается гравитационной линзой, образованной галактикой. Благодаря собранным данным и разработанному новому способу их анализа, удалось исследовать изменения в распределении темной материи с беспрецедентной детализацией.
Изначально концепция темной материи появилась для объяснения несоответствия между предсказанной теоретически и наблюдаемой массами во Вселенной. Благодаря ей стало возможным объяснить расхождения между теоретическими расчетами и астрономическими данными, касающимися вращения галактик и эффекта гравитационного линзирования.
Если бы во Вселенной присутствовала только видимая материя, скорость вращения внешних областей галактических дисков была бы ниже, чем наблюдается, а эффект гравитационного линзирования для удалённых объектов был бы менее выраженным. Только гипотеза о существовании скрытой массы позволяет разрешить эту проблему. Согласно современной космологической модели, доля невидимой материи в наблюдаемой Вселенной в пять раз превышает долю привычной нам барионной материи.
Астрономы могут судить о наличии темной материи только по ее гравитационном воздействии на звезды и галактики, поэтому им приходится использовать редкие «естественные эксперименты», обусловленные специфическим расположением космических объектов.
Японские астрономы использовали квазар MG J0414+0534, свет которого достиг Земли за 11,2 миллиарда лет, и гравитационную линзу, расположенную между квазаром и нашей планетой, в качестве объекта для одного из экспериментов. Гравитационная линза сформировалась благодаря массивной галактике и окружающей ее темной материи.
Искривление пространства-времени, вызванное видимой и темной материей в галактике, приводит к образованию четырех искаженных изображений далекого квазара. В подобных случаях нередко наблюдаются отклонения в распределении сигнала от разных изображений, что приводит к значительным расхождениям между наблюдаемыми данными и теоретическими моделями. Эти расхождения часто интерпретируются как свидетельство существования дополнительного, небольшого гало темной материи с умеренной массой, расположенного либо вблизи основного гало галактики, либо в межгалактическом пространстве.
Разные модели темной материи предсказывают различные флуктуации в распределении этих скоплений во Вселенной. Модель холодной темной материи (CDM) наиболее адекватно воспроизводит гравитационное воздействие невидимой материи на масштабах свыше трех миллионов световых лет. Для более точного и детального анализа требуется установить, позволяют ли флуктуации в распределении темной материи, присутствующие в межгалактическом пространстве, объяснить наблюдаемые отклонения в линзирующих изображениях.
Оценка масштабов флуктуаций требует измерения астрометрических сдвигов, возникающих в сигналах от линзированных изображений. Как правило, это очень незначительные эффекты, которые можно наблюдать с достаточной уверенностью лишь при сильном гравитационном линзировании, например, в системе MG J0414+0534. Японские ученые применили радиотелескоп ALMA и новую методику обработки данных для изучения изображений квазара, сформированных массивной галактической линзой.
Использование антенной решетки VLBA дало ученым возможность выявить мелкомасштабную структуру флуктуаций межгалактической темной материи с такой детализацией, что удалось различить объекты, расположенные на расстоянии до 30 тысяч световых лет (что значительно меньше ширины Млечного Пути, например, втрое). Полученные данные соответствуют прогнозам модели CDM и позволяют расширить сферу ее применения. Подробная информация о результатах исследования представлена в статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.
Авторы исследования считают, что зафиксированные гравилинзированием колебания в распределении темной материи могут быть связаны с небольшими «субгало» темной материи, расположенными за пределами крупных галактик. Также стоит отметить, что небольшие, компактные источники гравитационного линзирования предлагает и другая модель темной материи, согласно которой она состоит из шаровых скоплений черных дыр.