Спостережувана кількість гравітаційних лінз на порядок перевищила прогноз симуляцій

Фізики оцінили число маломасштабних подій гравітаційного лінзування в галактичних скупченнях на основі спостережень, а потім порівняли його з результатом комп'ютерних симуляцій. Виявилося, що моделювання прогнозує на порядок меншу кількість таких об'єктів - результат може ставити під сумніви загальноприйняті уявлення про властивості темної матерії або говорити про втрачені систематичні помилки в симуляціях. Стаття опублікована в журналі.

Відповідно до Загальної теорії відносності - найбільш успішної (в сенсі опису експериментальних даних) на сьогоднішній день теорією гравітації - присутність масивного об'єкта спотворює простір-час в його околицях. Завдяки цьому досить важкі тіла (зокрема, галактики та їх скупчення), які опинилися на шляху поширення електромагнітного випромінювання, здатні помітно змінювати його напрямок, вигинаючи промені навколо себе. Такий ефект прийнято називати сильним гравітаційним лінзуванням, а самі тіла - гравітаційними лінзами.

Спостерігач, для якого джерело світла загороджує гравітаційна лінза, в загальному випадку буде спостерігати його розмножені викривлені зображення - їх форма, кількість і положення будуть визначатися не тільки положенням фонового джерела щодо лінзи і спостерігача, але і розподілом маси в самій лінзі. Завдяки цій події гравітаційного лінзування допомагають вченим у виявленні та дослідженні масивних структур - в тому числі, утворень з недоступної для прямого спостереження в електромагнітному випромінюванні темної матерії.

Фізики з Данії, Італії, Нідерландів і США під керівництвом Массімо Менегетті (Massimo Meneghetti) з Національного інституту астрофізики Італії розглянули один з можливих видів сильного гравітаційного лінзування - випадки, коли в ролі фонового джерела і лінзи виступають віддалені галактики, причому галактика-лінза входить до складу скупчення галактик - тобто являє собою маломасштабну лінзу (з поділом частин зображення порядку кутових секунд) на тлі набагато більшої (з поділом в десятки кутових секунд).

Вчені звернулися до спостережень 11 галактичних скупчень в діапазоні червоних зміщень 0,234-0,587, зображення яких в 2010-2016 роках отримував космічний телескоп «Хаббл» в ході програм CLASH (Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble) і HFF (Hubble Frontier Fields). Крім того, дослідники використовували дані спектроскопії наземного комплексу VLT (Very Large Telescope) - це дозволило детальніше встановити розподіл маси всередині скупчення (на основі характеру руху зірок).

На основі цього набору даних фізики обчислювали, яку частку сумарна кутова площа маломасштабних гравітаційних лінз становить від повної кутової площі характерного регіону, всередині якого фонові джерела піддаються сильному лінзуванню. За допомогою цього числа автори оцінювали ймовірність виявити подію маломасштабного лінзування на даному червоному зміщенні і, як наслідок, - обчислювали передбачуване число видимих подій в одному кластері, вважаючи відомою кількість лінзованих фонових галактик (на основі даних Hubble Ultra-Deep Field - набору спостережень далеких галактик «Хабблом»).

Ту ж ймовірність виявити маломасштабне лінзування дослідники вираховували з суто теоретичних міркувань. Вчені моделювали галактичні кластери тих же мас і розмірів, що брали участь у спостережній вибірці, за допомогою гідродинамічних симуляцій на основі сучасної стандартної космологічної моделі з урахуванням охолодження газу, зореутворення та енергетичного внеску від наднових і акреціюючих надмасивних чорних дір.

В результаті вчені встановили, що теоретичні прогнози ймовірності маломасштабного гравітаційного лінзування мають відхилення від експерименту приблизно на порядок - фактично ми бачимо набагато більше подій, ніж передбачають симуляції.

Таку розбіжність не вдалося компенсувати навіть при виключенні з симуляцій зворотного зв'язку від надмасивних чорних дір, яка пригнічує зіроутворення і, роблячи внутрішній розподіл маси більш плавним, послаблює гравітаційні лінзи. Експериментальні розрахунки при цьому виявилися самоузгодженими - так, для кластера MACSJ1206 очікуване число подій склало близько трьох, що збіглося з спостережуваною кількістю.

Проблема, таким чином, відноситься саме до теоретичних обчислень. Автори вважають, що причиною розбіжності зі спостереженнями могли послужити як методичні помилки в самій процедурі чисельного моделювання, так і некоректні вихідні припущення космологічної моделі, що стосуються властивостей темної матерії та її взаємодії зі звичайною речовиною.

Гравітаційні лінзи дають можливість досліджувати не тільки будову самих себе, але і фонові об'єкти. За останні роки ми розповідали про те, як одна така лінза дозволила побачити відразу чотири моменти життя однією надновою, а інша - допомогла рентгенівським спостереженням галактики з молодого Всесвіту.