Искаженные изображения глубокого космоса, вызванные гравитационным линзированием, могут дать ключ к разгадке этой давней загадки.
Физики считают, что большая часть материи во Вселенной состоит из невидимого вещества, о котором мы знаем только по его косвенному влиянию на звезды и галактики, которые мы можем видеть.
Без этой «темной материи» Вселенная, какой мы ее видим, не имела бы смысла.
Содержание
Но природа темной материи — давняя загадка. Поэтому новое исследование Альфреда Амрута из Университета Гонконга и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, использует гравитационное изгибание света, чтобы приблизить нас на шаг к пониманию.
Невидимая, но вездесущая
Причина, по которой мы считаем, что темная материя существует, заключается в том, что мы можем наблюдать влияние ее гравитации на поведение галактик. В частности, темная материя, похоже, составляет около 85% массы Вселенной, и большинство далеких галактик, которые мы можем наблюдать, вероятно, окружены ореолом из этой загадочной субстанции.
Но поэтому она и называется темной материей, потому что не излучает свет, не поглощает и не отражает его, что делает ее невероятно сложной для обнаружения.
Так что же это за вещество? Мы думаем, что это, должно быть, какая-то неизвестная фундаментальная частица, но в остальном мы не уверены. Все попытки обнаружить частицы темной материи в лабораторных экспериментах до сих пор не дали никаких результатов, и физики уже несколько десятилетий спорят о ее природе.
Ученые предложили двух ведущих гипотетических кандидатов на роль темной материи: относительно тяжелые объекты, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами или вимпами (WIMP), и чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами. Теоретически вимпы будут вести себя как дискретные частицы, тогда как аксионы будут вести себя гораздо больше как волны из-за квантовой интерференции.
Было трудно различить эти две возможности, но теперь свет, изгибающийся вокруг далеких галактик, дал ключ к разгадке.
Гравитационное линзирование и кольца Эйнштейна
Когда свет, путешествующий по Вселенной, проходит мимо массивного объекта, такого как галактика, его путь искривляется, поскольку, согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация массивного объекта искажает пространство и время вокруг себя.
В результате иногда, когда мы смотрим на далекую галактику, мы видим искаженные изображения других галактик за ней. И если все складывается идеально, свет от фоновой галактики будет размазан по кругу вокруг более близкой галактики.
Такое искажение света называется «гравитационным линзированием», а круги, которые оно может создавать, называются «кольцами Эйнштейна».
Изучая, как искажаются кольца или другие линзированные изображения, астрономы могут узнать о свойствах ореола темной материи, окружающего более близкую галактику.
Аксионы против вимпов
Именно это и сделали Амрут и его команда в своем новом исследовании. Они рассмотрели несколько систем, в которых вокруг передней линзирующей галактики наблюдалось несколько копий одного и того же фонового объекта, уделив особое внимание одной из них под названием HS 0810+2554.
С помощью детального моделирования они выяснили, как искажались бы изображения, если бы темная материя состояла только из вимпов, и как они искажались бы, если бы темная материя состояла из аксионов. Модель с вимпами была мало похожа на реальную, но модель аксионов точно воспроизводила все особенности системы.
Результат говорит о том, что аксионы являются более вероятным кандидатом на роль темной материи, а их способность объяснить аномалии линзирования и другие астрофизические наблюдения вызывает у ученых бурный восторг.
Частицы и галактики
Новое исследование основывается на результатах предыдущих работ, которые также указывали на аксионы как на более вероятную форму темной материи. Например, в одном исследовании рассматривалось влияние аксионной темной материи на космический микроволновый фон, а в другом — поведение темной материи в карликовых галактиках.
Хотя это исследование еще не положило конец научным дебатам о природе темной материи, оно открывает новые пути для испытаний и экспериментов. Например, будущие наблюдения гравитационного линзирования могут быть использованы для изучения волнообразной природы аксионов и потенциального измерения их массы.
Лучшее понимание темной материи повлияет на то, что мы знаем о физике частиц и ранней Вселенной. Это также поможет нам лучше понять, как галактики формируются и изменяются с течением времени.
Читайте также: Реальна ли темная материя? Многолетняя загадка астрономии
