Телескоп ALMA «розвидів» взаємодію частинок темної матерії

Нові спостереження за скупченням Abell 3827 за допомогою масиву телескопів ALMA показали, що темна матерія в ньому все-таки рухається спільно з галактиками, а значить, вводити силу взаємодії між частинками темної матерії для пояснення картини гравітаційного лінзування на скупченні не потрібно. Результати нових спостережень астрономи представили на науковій конференції, що відбулася в рамках Європейського тижня астрономії та космічної науки (European Week of Astronomy and Space Science, EWASS 2018), препринт статті викладено на сайті arXiv.org.

Темна матерія - одна з найбільших загадок фізики і астрономії. З одного боку, концепція темної матерії дозволяє порівняно просто пояснити спостережувані криві обертання галактик і темп розширення нашого Всесвіту, а також коректно описати процеси гравітаційного лінзування на галактиках і скупченнях галактик. З іншого боку, крім гравітаційного тяжіння темна матерія практично не взаємодіє зі звичайною матерією і навіть сама з собою. Принаймні, ні численні наземні експерименти з пошуку таких взаємодій, ні спостереження за галактичними гало досі успіхом не увінчалися. Звичайно, ці невдачі можна списати на якісь інші невідомі ефекти, але сама по собі «невловимість» темної матерії виглядає досить дивно. Настільки дивно, що деякі вчені починають сумніватися в її реальності.

Втім, три роки тому, у квітні 2015 року, група астрономів під керівництвом Річарда Мессі (Richard Massey), здається, знайшла досить сильний аргумент на користь існування темної матерії. Під час спостережень за зіткненнями галактик у скупченні Abell 3827 за допомогою космічного телескопа «Хаббл» і наземного телескопа VLT вчені виявили, що темна матерія, яка супроводжує галактики, трохи «відстає» від них. Цей факт вдалося встановити з гравітаційного лінзування фонового джерела на скупченні - за спотворенням світла джерела дослідники розрахували розподіл темної матерії в скупченні, а потім порівняли його з видимим положенням галактик. Виявилося, що відстань між максимумами цього розподілу і центрами найближчих до них галактик становить близько п'яти тисяч світлових років - при тому, що характерний розмір центрального ядра скупчення оцінюється приблизно сотнею тисяч світлових років. Отже, частинки темної матерії, з яких складаються галактичне гало, все-таки можуть взаємодіяти один з одним за допомогою якихось нових сил, відмінних від гравітаційних. Це суперечить загальноприйнятій у космології моделі CDM (Cold Dark Matter, холодна темна матерія).

Проте, з нової статті, підготовленої тією ж групою астрономів під керівництвом Річарда Мессі, випливає, що насправді ніякого «відставання» темної матерії в скупченні Abell 3827 не було. Цього разу вчені більш пильно вивчили гравітаційне лінзування на скупченні, задіявши не тільки телескопи «Хаббл» і VLT, але і масив радіотелескопів ALMA, до складу якого входить понад 60 антен (54 антени діаметром 12 м і 12 антен діаметром 7 м). Саме в цьому вимірі брало участь 44 дванадцятиметрові антени, які реєстрували випромінювання в діапазонах 89,9 - 93,8 і 101,8 - 105,6 гігагерц зі спектральною роздільною здатністю близько 15,6 мегагерц (такий діапазон відповідає ультракоротким радіохвилям, найбільш близьким до інфрачервоного випромінювання). Це більш ніж у 30 разів перевершує спектральну роздільну здатність телескопа «Хаббл». Кутова роздільна здатність отриманого зображення склала приблизно 0,5 кутових секунд (кутова роздільна здатність телескопа «Хаббл» знаходиться на рівні 0,7 кутових секунд).

Нові дані дозволили більш коректно відняти з результатів спостережень фонове випромінювання, яке заважало точно визначити положення фонового джерела та його зображень. Через ці похибки минулого разу розподіл темної матерії в скупченні було розраховано не зовсім вірно. У новій статті вчені повторили старі розрахунки за допомогою програм LENSTOOL і GRALE, які трохи по-різному моделюють викривлення світла, що проходить поруч з масивними об'єктами. У результаті відстань між максимумами розподілів і центрами галактик зменшилася, а в деяких випадках впала практично до нуля.

Таким чином, автори статті підсумовують, що картина гравітаційного лінзування на скупченні Abell 3827 в цілому узгоджується з моделлю CDM, і для її пояснення вводити додаткову взаємодію між частинками темної матерії не потрібно. Також астрономи підкреслюють, що висока просторова і спектральна роздільна здатність масиву ALMA робить її ідеальним інструментом для вивчення гравітаційного лінзування, і відзначають, що скупчення Abell 3827 все ще становить інтерес для досліджень темної матерії через свою незвичайну форму.

У жовтні минулого року дослідники зі Швейцарії та Великобританії показали, що дані спостережень сильного гравітаційного лінзування скупчень галактик, зібрані телескопом «Хаббл», суперечать моделі CDM - згідно з цією моделлю, найяскравіша галактика скупчення повинна знаходитися поблизу центру мас темної матерії, проте насправді вона трохи від нього відхиляється. Крім того, минулого тижня астрономи з Єльського університету повідомили про те, що галактика NGC1052-DF2, судячи з усього, взагалі не містить темної матерії. Такою ж дивною поведінкою відрізняється ще шість стародавніх галактик, частка темної матерії в яких надзвичайно мала.