Тёмная материя влияет на движение звёзд в галактиках, на формирование галактик со временем и на то, как всё во Вселенной удерживается вместе. Однако ни один из существующих инструментов напрямую не обнаружил её. Хотя тёмная материя не отражает, не поглощает и не излучает свет, её всё равно можно косвенно наблюдать с помощью телескопов.
Чтобы лучше охарактеризовать тёмную материю, астрономы изучают её влияние на свет, который они могут наблюдать. Тёмная материя обладает массой, поэтому она может искажать свет, путешествующий через космос, в процессе, известном как гравитационное линзирование.
Космический телескоп Nancy Grace Roman Space Telescope
Космический телескоп Nancy Grace Roman, который будет исследовать небо после запуска, обнаружит сотни гравитационных линз, где массивная галактика на переднем плане увеличивает и искажает свет от фоновой галактики, превращая его в дуги и изгибы. Исследователи будут использовать данные Roman для измерения крошечных отклонений в повторяющихся изображениях фоновых галактик, что поможет им измерить влияние тёмной материи на невероятно малых масштабах и точнее определить, что это такое.
Эйнштейн предсказал забавный эффект, известный как гравитационное линзирование — когда галактика на переднем плане увеличивает более далёкие галактики позади неё. Это явление скоро станет обычным, когда космический телескоп NASA Nancy Grace Roman начнёт научные операции в 2027 году и будет проводить обширные исследования космоса.
Особое подмножество гравитационных линз, известное как сильные линзы, стало предметом исследования в новой статье, опубликованной в «Astrophysical Journal» под руководством Брайса Ведига, аспиранта Вашингтонского университета в Сент-Луисе.
Исследовательская группа подсчитала, что на обширных изображениях Roman ожидается появление более 160 000 гравитационных линз, включая сотни, подходящих для этого исследования. Каждое изображение Roman будет в 200 раз больше, чем инфракрасные снимки космического телескопа NASA Hubble.
Roman проведёт три основных исследования, предоставив обширные виды Вселенной. Работа научной группы основана на предыдущей версии ныне полностью определённого широкоугольного обзора Roman с большой широтой. Исследователи работают над последующей статьёй, которая будет соответствовать спецификациям окончательного исследования, чтобы полностью поддержать научное сообщество.
«Текущий размер выборки этих объектов с других телескопов довольно мал, потому что мы полагаемся на то, что две галактики будут выстроены почти идеально вдоль нашего луча зрения», — сказал Ведиг. «Другие телескопы либо ограничены меньшим полем зрения, либо менее точными наблюдениями, что затрудняет обнаружение гравитационных линз».
Гравитационные линзы состоят как минимум из двух космических объектов. В некоторых случаях одной галактике на переднем плане достаточно массы, чтобы действовать как линза, увеличивая галактику, которая почти идеально находится за ней. Свет от фоновой галактики огибает галактику на переднем плане более чем по одному пути, появляясь в наблюдениях в виде искажённых дуг и полумесяцев.
«Roman не только значительно увеличит размер нашей выборки, но и его чёткие изображения с высоким разрешением позволят нам обнаружить гравитационные линзы, которые кажутся на небе меньше», — сказал Тансу Дейлан, главный исследователь научной группы, проводящей эту исследовательскую программу.
«В конечном счёте, как выравнивание, так и яркость фоновых галактик должны соответствовать определённому порогу, чтобы мы могли охарактеризовать тёмную материю в галактиках на переднем плане», — добавил он.
Не вся масса в галактиках состоит из объектов, которые мы можем увидеть, например, из звёздных скоплений. Значительная часть массы галактики состоит из тёмной материи, названной так потому, что она не излучает, не отражает и не поглощает свет. Однако тёмная материя обладает массой, и, как и всё, что обладает массой, она может вызывать гравитационное линзирование.
Когда гравитация галактики на переднем плане искривляет путь света галактики на заднем плане, её свет направляется по нескольким путям. «Этот эффект создаёт несколько изображений галактики на заднем плане, которые увеличены и искажены по-разному», — сказал Дейлан. Эти «дубликаты» являются огромным преимуществом для исследователей — они позволяют многократно измерять распределение массы галактики-линзы, обеспечивая гораздо более точные результаты.
300-мегапиксельная камера Roman, известная как её широкоугольный инструмент, позволит исследователям точно определять изгиб света фоновых галактик с точностью до 50 миллисекунд дуги, что сравнимо с измерением диаметра человеческого волоса с расстояния более чем в два с половиной американских футбольных поля или футбольных поля.
Количество гравитационного линзирования, которое испытывает фоновый свет, зависит от промежуточной массы. Менее массивные скопления тёмной материи вызывают меньшие искажения. В результате, если исследователи смогут измерить более мелкие изгибы, они смогут обнаружить и охарактеризовать меньшие, менее массивные структуры тёмной материи — те типы структур, которые постепенно сливались со временем, образуя галактики, которые мы видим сегодня.
С помощью Roman команда будет накапливать ошеломляющую статистику о размере и структуре ранних галактик. «Поиск гравитационных линз и возможность обнаружения скоплений тёмной материи в них — это игра мелких шансов. С Roman мы можем раскинуть широкую сеть и часто рассчитывать на удачу», — сказал Ведиг. «Мы не увидим тёмную материю на изображениях — она невидима, но мы можем измерить её влияние».
«В конечном счёте вопрос, на который мы пытаемся ответить: какая частица или частицы составляют тёмную материю?» — добавил Дейлан. «Хотя некоторые свойства тёмной материи известны, мы, по сути, понятия не имеем, из чего она состоит. Roman поможет нам определить, как тёмная материя распределена на малых масштабах, и, следовательно, её природу на уровне частиц».
Перед запуском Roman команда также будет искать больше кандидатов в наблюдениях миссии ESA (Европейского космического агентства) Euclid и предстоящей наземной обсерватории Веры Рубин в Чили, которая начнёт свою полномасштабную работу через несколько недель. Как только инфракрасные изображения Roman будут получены, исследователи объединят их с дополнительными изображениями видимого света от Euclid, Rubin и Hubble, чтобы максимально расширить знания об этих галактиках.
«Мы раздвинем границы того, что мы можем наблюдать, и будем использовать каждую гравитационную линзу, обнаруженную с помощью Roman, чтобы определить природу частиц тёмной материи», — сказал Дейлан.
Предоставлено Институтом научных исследований космического телескопа.