Физики оценили число маломасштабных событий гравитационного линзирования в галактических скоплениях на основе наблюдений, а затем сравнили его с результатом компьютерных симуляций. Оказалось, что моделирование прогнозирует на порядок меньшее количество таких объектов — результат может ставить под сомнения общепринятые представления о свойствах темной материи или говорить об упущенных систематических ошибках в симуляциях. Статья опубликована в журнале Science.
В соответствии с Общей теорией относительности — наиболее успешной (в смысле описания экспериментальных данных) на сегодняшний день теорией гравитации — присутствие массивного объекта искажает пространство-время в его окрестностях. Благодаря этому достаточно тяжелые тела (в частности, галактики и их скопления), которые оказались на пути распространения электромагнитного излучения, способны заметно изменять его направление, изгибая лучи вокруг себя. Такой эффект принято называть сильным гравитационным линзированием, а сами тела — гравитационными линзами.
Наблюдатель, для которого источник света загораживает гравитационная линза, в общем случае будет наблюдать его размноженные искривленные изображения — их форма, количество и положение будут определяться не только положением фонового источника относительно линзы и наблюдателя, но и распределением массы в самой линзе. Благодаря этому события гравитационного линзирования помогают ученым в обнаружении и исследовании массивных структур — в том числе, образований из недоступной для прямого наблюдения в электромагнитном излучении темной материи.
Физики из Дании, Италии, Нидерландов и США под руководством Массимо Менегетти (Massimo Meneghetti) из Национального института астрофизики Италии рассмотрели один из возможных видов сильного гравитационного линзирования — случаи, когда в роли фонового источника и линзы выступают удаленные галактики, причем галактика-линза входит в состав скопления галактик — то есть представляет собой маломасштабную линзу (с разделением частей изображения порядка угловых секунд) на фоне гораздо более крупной (с разделением в десятки угловых секунд).
Ученые обратились к наблюдениям 11 галактических скоплений в диапазоне красных смещений 0,234–0,587, изображения которых в 2010–2016 годах получал космический телескоп «Хаббл» в ходе программ CLASH (Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble) и HFF (Hubble Frontier Fields). Кроме того, исследователи использовали данные спектроскопии наземного комплекса VLT (Very Large Telescope) — это позволило детальнее установить распределение массы внутри скопления (на основе характера движения звезд).
На основе этого набора данных физики вычисляли, какую долю суммарная угловая площадь маломасштабных гравитационных линз составляет от полной угловой площади характерного региона, внутри которого фоновые источники подвергаются сильному линзированию. С помощью этого числа авторы оценивали вероятность обнаружить событие маломасштабного линзирования на данном красном смещении и, как следствие, — вычисляли предполагаемое число видимых событий в одном кластере, полагая известным количество линзируемых фоновых галактик (на основе данных Hubble Ultra-Deep Field — набора наблюдений далеких галактик «Хабблом»).
Ту же вероятность обнаружить маломасштабное линзирование исследователи вычисляли из чисто теоретических соображений. Ученые моделировали галактические кластеры тех же масс и размеров, что участвовали в наблюдательной выборке, при помощи гидродинамических симуляций на основе современной стандартной космологической модели с учетом охлаждения газа, звездообразования и энергетического вклада от сверхновых и аккрецирующих сверхмассивных черных дыр.
В результате ученые установили, что теоретические прогнозы вероятности маломасштабного гравитационного линзирования имеют отклонение от эксперимента примерно на порядок — фактически мы видим гораздо больше событий, чем предсказывают симуляции.
Такое расхождение не удалось компенсировать даже при исключении из симуляций обратной связи от сверхмассивных черных дыр, которая подавляет звездообразование и, делая внутреннее распределение массы более плавным, ослабляет гравитационные линзы. Экспериментальные расчеты при этом оказались самосогласованными — так, для кластера MACSJ1206 ожидаемое число событий составило порядка трех, что совпало с наблюдаемым количеством.
Проблема, таким образом, относится именно к теоретическим вычислениям. Авторы полагают, что причиной расхождения с наблюдениями могли послужить как методические ошибки в самой процедуре численного моделирования, так и некорректные исходные предположения космологической модели, касающиеся свойств темной материи и ее взаимодействия с обычным веществом.
Гравитационные линзы дают возможность исследовать не только строение самих себя, но и фоновые объекты. За последние годы мы рассказывали о том, как одна такая линза позволила увидеть сразу четыре момента жизни одной сверхновой, а другая — помогла рентгеновским наблюдениям галактики из молодой Вселенной.
Николай Мартыненко
Для этого физики косо сталкивали восемь плазменных струй
Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически. Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование. Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения. Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра. Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме. Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол. В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества. Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.