Две команды астрономов использовали данные, собранные, в первую очередь, при помощи космического телескопа Чандра, для создания карты распределения темной материи в скоплении галактик Abell 383, расположенном на расстоянии 2.3 миллиардов световых лет от Земли. Казалось бы, такая работа уже практически стала рутиной. Но ученым удалось не только определить, где скапливается темная материя в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения (картинной плоскости), но и уловить ее распределение вдоль этой линии, создав трехмерную карту.

Темная материя – невидимая сущность, не испускающая и не поглощающая свет, проще говоря, никак с ним не взаимодействующая. Ее удается обнаружить только по гравитационному воздействию на обычную материю. Вопрос о том, сколько именно темной материи во Вселенной давно разрешен – ее примерно в шесть раз больше, чем обычной материи. Распределение темной материи в пространстве не так легко поддается изучению, но медленный прогресс в этом направлении знаний все же наблюдается. А вот что касается физических свойств темной материи, человечество ничего, кроме почти не подтвержденных догадок, представить не может.

Здесь мы концентрируемся на вопросе распределения темной материи в пространстве. Как было указано, информация об этом содержится в поведении обычной материи, поэтому логично рассмотреть структуру, в которой обычной материи (а значит, и темной) особенно много – галактическое скопление. Это крупнейшие гравитационно связанные объединения во Вселенной, они играют огромную роль в изучении темной материи, структуры и эволюции Вселенной, да и космологии вообще. Скопления вроде Abell 383 – своего рода пробный материал для изучения темной материи.

Описываемая здесь работа, посвященная анализу скопления Abell 383, снабжает нас наиболее детальной трехмерной картиной распределения темной материи в скоплении галактик. Обе команды астрономов обнаружили, что темная материя растянута по скоплению наподобие мяча для регби, ее распределение отнюдь не сферическое. Причем вытянута она оказалась практически вдоль линии наблюдения.

На изображении, собранном из множества снимков космического телескопа Чандра, рентгеновское излучение окрашено в фиолетовый цвет. Он соответствует горячему газу, доминирующей части обычной материи в скоплении. Галактики на изображении помещены туда, где они наблюдались в видимом диапазоне при помощи телескопов Хаббл и Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории. Они окрашены в белый и голубой.

Обе команды использовали совместные наблюдения обычной материи в рентгеновском диапазоне и данные о гравитационном линзировании, полученные в видимой части спектра. Гравитационное линзирование, предсказанное Эйнштейном на основе общей теории относительности, приводит к искажению света, проходящего около значительных гравитирующих масс – как обычной, так и темной материи. Когда мы выше говорили о том, что темная материя не взаимодействует со светом, имелось в виду электромагнитное взаимодействие. Гравитация же вездесуща. Искажение света фоновых галактик в каких-то местах изображения сильнее, в каких-то слабее. Зная распределение обычной материи и искажение, которые вызывалось бы только ей, и видимое искажение, можно определить распределение темной материи в скоплении.

Большая часть работы была проведена при изучении центра скопления, где концентрация темной материи особенно велика. Это исследование лежит в русле поисков темной материи. Содержание темной материи в центре Abell 383, полученное при изучении искажений света на изображениях космического телескопа Хаббл, находится в полном соответствии с предсказываемым теорией. Однако, альтернативное исследование, проведенное под руководством Эндрю Ньюмана из Калифорнийского технологического института, показало небольшое расхождение с теорией. Его команда использовала данные Хаббла, Субару и телескопов Кека для измерения скоростей звезд в центре скопления. Это позволило напрямую рассчитать массу материи в центральном регионе и показать, что пик распределения здесь не такой резкий, как предсказывает стандартная модель холодной темной материи. По утверждению авторов, это наиболее надежные данные, показывающие расхождение с теорией.

Различие результатов, полученных разными командами, скорее всего кроется в разном наборе наблюдательных данных и разных математических моделях. Наиболее важным фактором является то, что Ньюман и его коллеги использовали информацию о скоростях звезд в центральной галактике. В результате они смогли дать распределении темной материи лишь в пределах 6500 световых лет от центра скопления. Альтернативный подход, хотя и не позволяет получить такие точные данные о распределении, позволяет найти его на расстояниях до 80000 световых лет от центра, что снижает опасность влияния на результат особенностей данного конкретного скопления и ошибок наблюдений. Это же позволило использовать более детальную модель распределения темной материи, недоступную для данных в небольшом объеме пространства. За счет этого была получена форма распределения, похожая на эллипсоид, ось минимального момента инерции которого слегка наклонена к линии наблюдения. Скорее всего, исследование скопления Abell 383 не завершены, и новые результаты позволят либо свести две модели к единому выводу, либо указать верную. Если окажется, что темной материи в центре в самом деле меньше, чем ожидалось, это приведет к пересмотру теорий ее распределения или даже ее физических свойств (результат может быть объяснен при помощи введения взаимодействия между частицами темной материи).