Астрофизики измерили количество темной материи, каким оно было 12 млрд лет назад

О темной материи мало что известно, хотя ее очень активно исследуют. Это загадочная субстация, из которой состоит примерно треть Вселенной. Она слишком инертна, поэтому ее невозможно засечь почти никакими современными приборами — проявляется темная материя только через гравитацию. Грубо говоря, в какой-то момент ученые обнаружили, что галактики на самом тяжелее, чем должны были быть, учитывая массу всего наблюдаемого материала в них. Вот эту «избыточную массу» и списали на темную материю.

На этом же принципе основано и наблюдение количества темной материи. Тяжелые объекты во Вселенной искажают летящий мимо них свет в полном соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна. Измеряя степень искажения света, можно посчитать массу галактики. Затем, вычтя из общей массы массу наблюдаемого вещества, получают количество темной материи.

Галактики, в свою очередь, под действием гравитации сбиваются в скопления галактик по 100-1000 штук в каждом, а скопления галактик распределены во Вселенной неравномерно. Они образуют что-то вроде нитей паутины. Считается, что именно по этим «нитям космической паутины» и распределена темная материя, и что эта структура уплотнений сформировалась вскоре (почти сразу) после Большого взрыва.

Так что сегодня астрофизики довольно успешно рассчитывают распределение темной материи во Вселенной, несмотря на всю ее пассивность. Однако и здесь есть ограничения. Чтобы понять количество темной материи, надо видеть, как искажается свет. Но чем дальше во Вселенную ученые заглядывают, тем свет тусклее. Сложно различить даже свет самих галактик, а уж искажение ими еще более далекого света — и подавно.

И это очень печально, потому что чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем более ранние этапы ее истории видим. Так происходит из-за того, что свету требуется время, чтобы долететь до Земли. То есть звезды и галактики на Земле видны на самом деле не такими, какие они есть сейчас, а такими, какими были, когда испустили только сейчас долетевший до нас свет. Те галактики, которые мы видим в дальнем космосе, возможно, на самом деле уже прекратили свое существование. Получается своеобразная машина времени Вселенной.

Так что из-за ограничения возможностей современных приборов, ученые могут рассчитать распределение темной материи только лишь на расстоянии 8-10 млрд лет. Тогда как возраст Вселенной — 13,4 млрд.

Недавно японские ученые нашли способ заглянуть дальше. Для расчетов они использовали искажение не света, а реликтового излучения.

Реликтовое излучение — это отпечаток, эхо света и тепла, появившееся, когда Вселенной было всего лишь около 300 000 лет. Теперь оно пронизывает все пространство в виде слабого фона. Реликтовое излучение неоднородно — в нем уже есть те самые уплотнения, «комочки», которые потом станут галактиками или скоплениями галактик.

Первой частью нового исследования ученых из Университета Нагои был поиск огромного количества максимально далеких галактик. Используя данные мощного телескопа Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (Токио, Япония), авторы работы собрали карту из почти 1,5 млн галактик со всего звездного неба, находящихся примерно в 12 млрд световых лет.

Затем с помощью данных орбитального телескопа Planck Европейского космического агентства исследователи измерили, как эти галактики искажают реликтовое излучение. В итоге получилась карта распределения темной материи во Вселенной 12 млрд лет назад.

Весьма примечательно, что «комковатость» ранней Вселенной, согласно новому исследованию, оказалась гораздо меньше, чем предполагается современной научной картиной мира. То есть темной материи было меньше, чем считается согласно расчетам, исходящим из современного знания законов физики.

«Наши данные пока еще уточняются. Но если это правда, то получается, что вся модель ошибочна, как минимум, она не распространяется на далекое прошлое. Это захватывающе, потому что, если результат сохранится после уточнения данных, это может предложить изменение модели формирования Вселенной, что, в свою очередь, может дать представление о природе самой темной материи», — сказал руководитель исследования Хиронао Миятакэ.

Научная статья вышла в Physical Review Letters, о результатах рассказывает ЕurekaАlert.