Камера темной энергии исследует скопление Кома, вдохновив теорию темной материи

Author: NOIRLab

Камера Dark Energy сделала снимок ослепительного скопления Coma, названного в честь волос королевы Береники II из Египта. Эта группа галактик не только имела большое значение в греческой мифологии, но и сыграла основополагающую роль в открытии существования темной материи.

Теория возникла в 1937 году, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики скопления Волос Вероники ведут себя так, как будто они находятся под влиянием огромного количества ненаблюдаемой «темной» материи.

Береника, как известно, обрезала свои волосы и принесла их в качестве обетного приношения богам, когда ее муж благополучно вернулся с войны. Волосы были помещены в храм, но вскоре пропали. Придворный астроном Конон Самосский утверждал, что идентифицировал потерянные локоны Береники в довольно неожиданном месте — ночном небе — предполагая, что богиня Афродита катастеризовала (буквально превратила в созвездие) локоны царицы. Все это произошло около 245 г. до н. э., что означает, что волосы Береники пользовались небесным признанием в течение необычайно долгого времени.

Данные, использованные для создания этой подробной картины, были собраны камерой темной энергии (DECam), изготовленной Министерством энергетики и установленной на 4-метровом телескопе имени Виктора М. Бланко Национального научного фонда США в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в рамках программы NSF NOIRLab.

570-мегапиксельная камера была создана для проведения исследования темной энергии (DES) — удивительного цикла наблюдений, длившегося 758 ночей в период с 2013 по 2019 год. DES проводилось с целью лучше понять природу темной энергии — неизвестной сущности, которая заставляет нашу Вселенную ускоряться.

Скопление Волос Вероники тесно связано с не менее загадочным аналогом темной энергии: темной материей. Почти столетие назад, в 1937 году, швейцарский астроном Фриц Цвикки наблюдал несколько галактик в скоплении Волос Вероники. Он рассчитал приблизительную массу скопления на основе его светящихся — другими словами, наблюдаемых — структур.

Но он столкнулся с чем-то странным: кластер, казалось, не имел массы. Фактически, галактики внутри кластера вели себя так, как будто кластер содержал в 400 раз больше массы, чем предполагали его оценки.

Цвикки пришел к такому выводу, наблюдая за тем, как быстро движутся галактики внутри скопления. Чтобы объяснить это подробнее, полезно кратко вернуться к ключевому моменту о природе гравитации. Гравитация — одно из четырех известных фундаментальных взаимодействий, существующих между всеми сущностями, обладающими энергией или массой. Чем больше масса объекта, тем сильнее гравитационное притяжение, которое он будет оказывать. Поэтому менее массивные объекты, находящиеся на определенном расстоянии от более массивного объекта, будут неконтролируемо притягиваться к нему.

Однако есть дополнительный фактор, который следует учитывать: скорость. Если объект движется достаточно быстро, он может избежать гравитационного притяжения других объектов. Именно этот принцип позволил Цвикки сделать вывод, что скопление Кома, по-видимому, «отсутствует» материя.

Он обнаружил, что галактики движутся так быстро, что они должны были бы покидать скопление, если бы оно удерживалось вместе только наблюдаемой массой. Это привело его к постулату, что скопление должно удерживаться вместе огромными количествами ненаблюдаемой «темной» материи, хотя это предположение казалось надуманным для большей части астрономического сообщества.

Потребовалось до 1980-х годов, чтобы большинство астрономов убедились в существовании темной материи. Консенсус сдвинулся с места, когда появилось несколько исследований, сообщающих о той же любопытной несогласованности масс, которую наблюдал Цвикки, но в масштабах отдельных галактик, а не целых скоплений галактик.

Одно из таких исследований было проведено в 1970 году американскими астрономами Кентом Фордом и Верой С. Рубин, которые обнаружили доказательства наличия невидимой материи в галактике Андромеды. А в 1979 году астрономы Сандра Фабер и Джон Галлахер провели надежный анализ соотношения массы к светимости для более чем 50 спиральных и эллиптических галактик, что привело их к выводу, что «доказательства наличия невидимой массы во Вселенной очень сильны и становятся все более убедительными».

Существование темной материи и темной энергии в настоящее время широко признано, и понимание их неуловимой природы является основным направлением современной астрофизики. Более глубокое понимание может появиться на горизонте с предстоящим 10-летним Legacy Survey of Space and Time, который будет проводиться обсерваторией NSF–DOE Веры К. Рубин, названной в честь вдохновляющей женщины-астронома, которая помогла показать миру, что во Вселенной есть гораздо больше, чем кажется на первый взгляд.