Космический телескоп NASA имени Джеймса Уэбба получил детальные изображения «Пулевого скопления», показав большее количество чрезвычайно тусклых и далёких галактик, чем когда-либо прежде.
Используя чёткие наблюдения этого региона в ближнем инфракрасном диапазоне, исследователи более полно нанесли на карту содержимое сталкивающихся скоплений галактик.
«С помощью наблюдений Уэбба мы тщательно измерили массу „Пулевого скопления“ с помощью самого большого на сегодняшний день набора данных по гравитационному линзированию — от ядер скоплений галактик до их окраин», — сказал Санджун Ча, доктор философии Университета Ёнсе в Сеуле, Южная Корея, и ведущий автор статьи, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters. (Предыдущие исследования «Пулевого скопления» с помощью других телескопов опирались на значительно меньший объём данных по гравитационному линзированию, что приводило к менее точным оценкам массы системы.)
«Изображения Уэбба значительно улучшают то, что мы можем измерить на этом снимке, включая точное определение положения невидимых частиц, известных как тёмная материя», — сказал Кайл Финнер, соавтор и научный сотрудник IPAC Калифорнийского технологического института в Пасадене, Калифорния.
Все галактики состоят из звёзд, газа, пыли и тёмной материи, которые связаны вместе гравитацией. «Пулевое скопление» состоит из двух очень массивных скоплений галактик, которые сами удерживаются вместе гравитацией.
Эти скопления галактик действуют как гравитационные линзы, увеличивая свет фоновых галактик. «Гравитационное линзирование позволяет нам определить распределение тёмной материи», — сказал Джеймс Джи, соавтор, профессор Университета Ёнсе и научный сотрудник Калифорнийского университета в Дэвисе в Калифорнии.
Чтобы визуализировать гравитационное линзирование и тёмную материю, представьте себе пруд, наполненный чистой водой и галькой. «Вы не можете увидеть воду, если нет ветра, который вызывает рябь», — объяснил Джи. «Эти ряби искажают формы гальки внизу, заставляя воду действовать как линза». То же самое происходит в космосе, но вода — это тёмная материя, а галька — фоновые галактики.
В целом команда измерила тысячи галактик на изображениях Уэбба, чтобы точно «взвесить» как видимую, так и невидимую массу в этих скоплениях галактик. Они также тщательно нанесли на карту и измерили совокупный свет, излучаемый звёздами, которые больше не связаны с отдельными галактиками — известными как внутрикластерные звёзды.
Пересмотренная карта «Пулевого скопления» показана на новом изображении: поверх изображения, полученного с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) Уэбба, наложены данные рентгеновской обсерватории Чандра НАСА, которые показывают горячий газ розовым цветом, включая форму «пули» справа. Уточнённые измерения тёмной материи, рассчитанные командой с использованием наблюдений Уэбба, представлены синим цветом. Определённые скопления галактик находятся внутри пунктирных кругов.
Их выводы убедительны: «Мы подтвердили, что внутрикластерный свет может быть надёжным индикатором тёмной материи даже в такой динамичной среде, как „Пулевое скопление“», — сказал Ча. Если эти звёзды связаны не с галактиками, а с тёмной материей скопления, то, возможно, станет проще определить более конкретные характеристики невидимой материи.
В целом, новые измерения исследователей значительно уточняют наши знания о том, как масса распределена по всему «Пулевому скоплению». Скопление галактик слева имеет асимметричную, вытянутую область массы вдоль левого края синей области, что является ключом к предыдущим слияниям в этом скоплении.
Тёмная материя не излучает, не отражает и не поглощает свет, и результаты команды показывают, что тёмная материя не проявляет признаков значительного самовзаимодействия. Если бы тёмная материя взаимодействовала сама с собой в наблюдениях Уэбба, команда увидела бы смещение между галактиками и их соответствующей тёмной материей.
«Когда скопления галактик столкнулись, их газ был вытянут и оставлен позади, что подтверждают рентгеновские лучи», — сказал Финнер. Наблюдения Уэбба показывают, что тёмная материя всё ещё совпадает с галактиками — и не была утянута.
Хотя более ранние измерения с помощью других телескопов также выявили невидимую массу в дополнение к массе в галактиках, всё ещё существовала вероятность того, что тёмная материя могла взаимодействовать сама с собой в некоторой степени. Эти новые наблюдения устанавливают более строгие ограничения на поведение частиц тёмной материи.
Странные новые скопления и вытянутая линия массы, идентифицированные командой, могут означать, что «Пулевое скопление» было создано в результате более чем одного столкновения скоплений галактик миллиарды лет назад.
Более крупное скопление, которое сейчас находится слева, могло пережить незначительное столкновение, прежде чем протаранить скопление галактик, которое сейчас находится справа. То же самое более крупное скопление могло также испытать сильное взаимодействие после этого, вызвав дополнительное встряхивание его содержимого. «Более сложный сценарий привёл бы к огромному асимметричному удлинению, которое мы видим слева», — сказал Джи.
«Пулевое скопление» огромно даже на огромном пространстве космоса. Камера NIRCam Уэбба охватила значительную часть массивных обломков своими изображениями, но не все. «Это как смотреть на голову гиганта», — сказал Джи. «Первоначальные изображения Уэбба позволяют нам экстраполировать, насколько велика вся „гигантская“ масса, но нам понадобятся будущие наблюдения всего „тела“ гиганта для точных измерений».
В ближайшем будущем у исследователей также будут обширные изображения в ближнем инфракрасном диапазоне с космического телескопа Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на май 2027 года. «С помощью Романа у нас будут полные оценки массы всего „Пулевого скопления“, что позволит нам воссоздать фактическое столкновение на компьютерах», — сказал Финнер.
«Пулевое скопление» находится в созвездии Киля в 3,8 миллиарда световых лет от Земли.