Телескоп ALMA «развидел» взаимодействие частиц темной материи

Новые наблюдения за скоплением Abell 3827 с помощью массива телескопов ALMA показали, что темная материя в нем все-таки движется совместно с галактиками, а значит, вводить силу взаимодействия между частицами темной материи для объяснения картины гравитационного линзирования на скоплении не нужно. Результаты новых наблюдений астрономы представили на научной конференции, состоявшейся в рамках Европейской недели астрономии и космической науки (European Week of Astronomy and Space Science, EWASS 2018), препринт статьи выложен на сайте arXiv.org.

Темная материя — одна из самых больших загадок физики и астрономии. С одной стороны, концепция темной материи позволяет сравнительно просто объяснить наблюдаемые кривые вращения галактик и темп расширения нашей Вселенной, а также корректно описать процессы гравитационного линзирования на галактиках и скоплениях галактик. С другой стороны, помимо гравитационного притяжения темная материя практически не взаимодействует с обычной материей и даже сама с собой. По крайней мере, ни многочисленные наземные эксперименты по поиску таких взаимодействий, ни наблюдения за галактическими гало до сих пор успехом не увенчались. Конечно, эти неудачи можно списать на какие-то другие неизвестные эффекты, но сама по себе «неуловимость» темной материи выглядит довольно странно. Настолько странно, что некоторые ученые начинают сомневаться в ее реальности.

Впрочем, три года назад, в апреле 2015 года, группа астрономов под руководством Ричарда Мэсси (Richard Massey), кажется, нашла довольно сильный аргумент в пользу существования темной материи. В ходе наблюдений за столкновениями галактик в скоплении Abell 3827 с помощью космического телескопа «Хаббл» и наземного телескопа VLT ученые обнаружили, что темная материя, сопровождающая галактики, немного «отстает» от них. Этот факт удалось установить по гравитационному линзированию фонового источника на скоплении — по искажению света источника исследователи рассчитали распределение темной материи в скоплении, а затем сравнили его с видимым положением галактик. Оказалось, что расстояние между максимумами этого распределения и центрами ближайших к ним галактик составляет около пяти тысяч световых лет — при том, что характерный размер центрального ядра скопления оценивается примерно сотней тысяч световых лет. Следовательно, частицы темной материи, из которых состоят галактическое гало, все-таки могут взаимодействовать друг с другом с помощью каких-то новых сил, отличных от гравитационных. Это противоречит общепринятой в космологии модели CDM (Cold Dark Matter, холодная темная материя).

Тем не менее, из новой статьи, подготовленной той же группой астрономов под руководством Ричарда Мэсси, следует, что в действительности никакого «отставания» темной материи в скоплении Abell 3827 не было. На этот раз ученые более пристально изучили гравитационное линзирование на скоплении, задействовав не только телескопы «Хаббл» и VLT, но и массив радиотелескопов ALMA, в состав которого входит более 60 антенн (54 антенны диаметром 12 м и 12 антенн диаметром 7 м). Конкретно в этом измерении участвовало 44 двенадцатиметровые антенны, которые регистрировали излучение в диапазонах 89,9 – 93,8 и 101,8 – 105,6 гигагерц со спектральным разрешением около 15,6 мегагерц (такой диапазон отвечает ультракоротким радиоволнам, наиболее близким к инфракрасному излучению). Это более чем в 30 раз превосходит спектральное разрешение телескопа «Хаббл». Угловое разрешение полученного изображения составило примерно 0,5 угловых секунд (угловое разрешение телескопа «Хаббл» находится на уровне 0,7 угловых секунд).

Новые данные позволили более корректно вычесть из результатов наблюдений фоновое излучение, которое мешало точно определить положение фонового источника и его изображений. Из-за этих погрешностей в прошлый раз распределение темной материи в скоплении было рассчитано не совсем верно. В новой статье ученые повторили старые расчеты с помощью программ LENSTOOL и GRALE, которые немного по-разному моделируют искривление света, проходящего рядом с массивными объектами. В результате расстояние между максимумами распределений и центрами галактик уменьшилось, а в некоторых случаях упало практически до нуля.

Таким образом, авторы статьи заключают, что картина гравитационного линзирования на скоплении Abell 3827 в целом согласуется с моделью CDM, и для ее объяснения вводить дополнительное взаимодействие между частицами темной материи не нужно. Также астрономы подчеркивают, что высокое пространственное и спектральное разрешение массива ALMA делает его идеальным инструментом для изучения гравитационного линзирования, и отмечают, что скопление Abell 3827 все еще представляет интерес для исследований темной материи из-за своей необычной формы. 

В октябре прошлого года исследователи из Швейцарии и Великобритании показали, что данные наблюдений сильного гравитационного линзирования скоплений галактик, собранные телескопом «Хаббл», противоречат модели CDM — согласно этой модели, самая яркая галактика скопления должна находиться поблизости от центра масс темной материи, однако в действительности она немного от него отклоняется. Кроме того, на прошлой неделе астрономы из Йельского университета сообщили о том, что галактика NGC1052-DF2, судя по всему, вообще не содержит темной материи. Таким же странным поведением отличается еще шесть древних галактик, доля темной материи в которых чрезвычайно мала.

Дмитрий Трунин