ALMA виявляє тонку ознаку темної матерії

Піонерські спостереження виявляють флуктуації темної матерії нижче рівня галактик, підтверджуючи теорії про холодну темну матерію та відкриваючи нове уявлення про формування Всесвіту.

Дослідницька група на чолі з професором Каїкі Таро Іноуе з Університету Кіндай (Осака, Японія) виявила коливання в розподілі темної матерії у Всесвіті в масштабах, менших за масивні галактики, використовуючи найпотужніший у світі радіоінтерферометр Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. .Масив).Алма), що знаходиться в Республіці Чилі.

Це перший випадок, коли просторові флуктуації темної матерії були виявлені у далекому Всесвіті в масштабі 30 тисяч світлових років. Цей результат показує, що холодна темна матерія^[1] Це краще навіть у масштабах, менших за масивні галактики, і є важливим кроком до розуміння справжньої природи темної матерії. Стаття буде опублікована в в Астрофізичний журнал.

Малюнок 1. Флуктуації, виявлені в темній матерії. Більш яскравий помаранчевий колір вказує на області з високою щільністю темної матерії, а більш темний помаранчевий колір вказує на області з низькою щільністю темної матерії. Білий і синій кольори представляють об’єкти з гравітаційними лінзами, які спостерігає ALMA. Джерело: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

основні моменти

• Спостереження за допомогою одного з найбільших у світі радіохвильових інтерферометрів ALMA, міжнародний проект.
• Перше виявлення флуктуацій темної матерії у Всесвіті в масштабах менше 30 тисяч світлових років.
• Важливий крок до прояснення справжньої природи темної матерії.

ALMA виявляє дрібні коливання в розподілі темної матерії

Вважається, що темна матерія, невидима матерія, яка становить більшу частину маси Всесвіту, зіграла важливу роль у формуванні таких структур, як зірки та галактики.^[2] Оскільки темна матерія не рівномірно розподілена в просторі, а розподілена в згустках, її сила тяжіння може трохи змінити шлях світла (включаючи радіохвилі), що надходить від віддалених джерел світла. Спостереження за цим ефектом (гравітаційне лінзування) показали, що темна матерія пов’язана з відносно масивними галактиками та скупченнями галактик, але як вона розподіляється в менших масштабах, ще невідомо.

Дослідницька група вирішила використовувати ALMA для спостереження за об’єктом, що знаходиться на відстані 11 мільярдів світлових років від Землі. Об’єкт – це лінзований квазар,^[3] MG J0414+0534^[4] (надалі «цей квазар»).

Здається, цей квазар має чотирикутне зображення через ефект гравітаційної лінзи галактики на передньому плані. Однак положення та форми цих видимих ​​зображень відрізняються від тих, що розраховані виключно за ефектом гравітаційної лінзи галактики на передньому плані, що свідчить про те, що діє ефект гравітаційної лінзи розподілу темної матерії в масштабах, менших за масивні галактики.

Рисунок 2: Концептуальна схема системи гравітаційних лінз MG J0414+0534. Об’єкт у центрі зображення вказує на лінзоподібну галактику. Помаранчевий показує темну матерію в міжгалактичному просторі, а блідо-жовтий вказує на темну матерію в лінзоподібній галактиці. Авторство: NAOJ, KT Inoue

Виявилося, що існують просторові коливання щільності темної матерії навіть в масштабі близько 30 тисяч світлових років, що набагато менше космічного масштабу (кілька десятків мільярдів світлових років). Цей результат узгоджується з теоретичним прогнозом холодної темної матерії, який передбачає, що згустки темної матерії існують не лише всередині галактик (блідо-жовтий на малюнку 2), але й у міжгалактичному просторі (помаранчевий на малюнку 2).

Ефекти гравітаційної лінзи згустків темної матерії, виявлені в цьому дослідженні, настільки малі, що їх надзвичайно важко виявити самостійно. Однак завдяки ефекту гравітаційної лінзи, викликаному галактикою на передньому плані, і високій роздільній здатності ALMA ми змогли вперше виявити ефекти. Тому це дослідження є важливим кроком для перевірки теорії темної матерії та з’ясування її справжньої природи.

Це дослідження представлено в статті під назвою «ALMA вимірювання спектрів потужності лінзування на 10 кпк у напрямку лінзованого квазара MG J0414+0534» К. Т. Іноуе та ін. В Астрофізичний журнал.

Примітки

1. Холодна темна матерія
   У міру розширення Всесвіту щільність речовини зменшується, тому частинки темної матерії (матерії, невидимої для світла) більше не стикатимуться з іншими частинками і матимуть незалежний рух, відмінний від руху звичайної матерії. У цьому випадку частинки темної матерії, які рухаються зі швидкістю, значно меншою за швидкість світла відносно звичайної матерії, називають холодною темною матерією. Через низьку швидкість вони не мають можливості стерти масштабні структури у Всесвіті.
2. Формування структури у Всесвіті
   Вважається, що в ранньому Всесвіті зірки та галактики утворилися в результаті гравітаційного зростання коливань щільності темної матерії та накопичення водню та гелію, які притягуються до згустків темної матерії. Розподіл темної матерії в масштабах, менших за масивні галактики, досі невідомий.
3. Квазар
   Квазар — це центральна, компактна область галактики, яка випромінює надзвичайно яскраве світло. Об’єднана територія та її околиці містять велику кількість пилу, який випромінює радіохвилі.
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534 розташований у напрямку сузір’я Тельця, якщо дивитися із Землі. Червоне зміщення (збільшення довжини хвилі світла, поділене на вихідну довжину хвилі) цього об’єкта становить z=2,639. Відповідна відстань вважається рівною 11 мільярдам світлових років з урахуванням невизначеності космологічних параметрів.

Довідка: Кайкі Таро Іноуе, Такео Мінезакі, Сатокі Мацусіта та Коічіро Наканіші «Вимірювання ALMA спектрів лінзової сили при 10 кпк у напрямку лінзованого квазара MG J0414+0534», 7 вересня 2023 р., Астрофізичний журнал.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Ця робота була підтримана грантом на наукові дослідження від Японського товариства сприяння науці (№ 17H02868, 19K03937), спільного науково-дослідницького проекту ALMA Національної астрономічної обсерваторії Японії 2018-07A, так само, як і ALMA JAPAN Research Fund NAOJ-ALMA-256 і Тайвань MoST. М-001-020.