Темна матерія існує. Нікого не повинно бентежити формулювання, наприклад, у Вікіпедії: "Темна матерія... - гіпотетична форма матерії ". Гіпотетична в даному випадку означає, що не знайдені частинки перенесення взаємодії, але це не може поставити під сумнів існування найтемнішої матерії. Так, оптичними або якими-небудь ще телескопами безпосередньо вона не реєструється, але якщо ви вдарилися вночі об стілець, не станете ж ви заперечувати його існування, тільки тому, що в темряві його не видно?
Темна матерія не детектується на малих масштабах (на зразок нашої Сонячної системи). Вона повинна бути присутня в кожній галактиці, але необов'язково в рівних пропорціях. Оскільки темна матерія не має температури, вона могла почати концентруватися під впливом гравітації набагато раніше, ніж гарячий водень або гелій, таким чином темна матерія могла бути тим самим двигуном, який запустив механізм утворення галактик.
Є кілька спостережних фактів, які неможливо пояснити за допомогою звичайної матерії - фотонів, електронів, протонів, нейтронів та інших частинок, що входять до Стандартної моделі, ось два найбільш явних:
- Аномально-швидке обертання зірок навколо центру галактики, яке суперечить законам Кеплера. Учень середньої школи може розрахувати швидкість орбіти планети навколо Сонця і переконатися, що Земля обертається повільніше Меркурія, але швидше Юпітера, а найдовший рік - у Нептуна. Те саме має відбуватися і з обертанням зірок навколо центру галактики. Але не відбувається: так звана «крива швидкостей», визначена для безлічі галактик, наочно демонструє порушення законів Кеплера - швидкість обертання зірок майже не змінюється в міру видалення від центру.
- Гравітаційне лінзування, тобто спотворення далеких джерел світла масивним предметом, розташованим між цим об'єктом і нами. Так от - слабке гравітаційне лінзування безлічі галактик виражено набагато виразніше, ніж повинно бути за розрахунками, якщо взяти до уваги тільки масу зірок, пилу і газу. Рівняння геометричної оптики також входять до шкільної програми: знаючи відстань від лінзи до зображення і від лінзи до предмета, можна дізнатися властивості самої лінзи (у нашому випадку - повну масу галактики, що спотворює світло).
Кожне з цих спостережень окремо можна спробувати пояснити, не вводячи в гру темну матерію, але тільки вона може вбудувати ці дані (а також ряд інших, на зразок швидкості формування галактик в ранньому Всесвіті) в загальну непротиворечивую фізичну картину Всесвіту - а раз так, то навіщо плодити сутності понад необхідність? Детальніше про темну матерію можна почитати тут.
Так як же скласти карту того, що не видно? Робота, про яку йдеться цього разу, називається «Огляд темної енергії» - в ній з цією метою використовується спеціальна камера, що стежить за скупченнями галактик. Незважаючи на претендійну назву «камера темної енергії», DECam - це всього лише звичайна камера з величезною роздільною здатністю, підвищеною чутливістю в червоному та інфрачервоному спектрах і широким кутом огляду. Такий набір характеристик потрібен для того, щоб виявити дуже безліч далеких галактик, розподілених на небі, але тим не менш, гравітаційно-пов'язаних і званих скупченням. Хоча робота тільки почалася і зараз отримані знімки лише невеликого числа галактик, тим не менш, їх вже можна використовувати для того, щоб дізнатися трохи більше про темну матерію.
Для складання карти використовувалася наступна методика: спочатку отримали глибокі знімки невеликої ділянки неба, всього 139 квадратних градусів (нагадуємо, що це перша публікація результатів, основні спостереження ще тривають і повинні охопити 1/8 частину неба, тобто понад 5000 квадратних градусів), визначили червоні зміщення галактик (тобто їх вік і віддаленість від нас), і розділили їх на дві групи: ближні (0.1
Далі починалася робота з галактиками з ближнього списку. Слабке гравітаційне лінзування визначає наявність темної матерії статистично - тобто на дуже великих вибірках. І математичний метод Кайзера-Сквайрса, розроблений в 1993-му році, який тут застосовується, годиться для мас, які бувають у структур на зразок скупчень галактик, не менше, тому треба було «зібрати» ближні галактики в скупчення. Пошук таких скупчень - це окреме важке завдання, яке вирішували застосуванням спеціального алгоритму Redmapper. Складність у визначенні належності галактики до скупчення в тому, що треба довести, по-перше, що галактика фізично знаходиться поруч і це не результат банальної проекції, а по-друге, що галактика гравітаційно-пов'язана зі скупченням. Тобто показати, що на її рух центр мас скупчення має більший вплив, ніж розширення Всесвіту, а також всі інші сторонні галактики, що не входять скупчення.
Після цього автори статті наклали отриману карту розподілу маси, відповідальної за лінзування, на отриману карту скупчень і з радістю виявили, що вони багато в чому збігаються - тобто, як і пророкує теорія, темна матерія в основному сконцентрована в галактиках.
Треба уточнити, що це не перша спроба складання карт темної матерії. Наприклад, група вчених, які працюють в Канадсько-Французько-Гавайському дослідженні лінзування, працювала приблизно з такою ж площею неба.
Але в дослідженні, про яке ми розповідали сьогодні, досягнута набагато більш висока точність. До того ж вчені додатково підстрахувалися, щоб дані можна було піддати незалежній перевірці: зображення отримані в тих же фільтрах, що і знаменитий оптичний огляд SDSS, і в тій же області неба, що і SPT, який шукає темну матерію за допомогою ефекту Сюняєва-Зельдовича.
Складання подібних карт важливе саме по собі, але крім того може бути використано і для інших досліджень: наприклад, для виявлення нових скупчень галактик. Вони можуть бути або занадто далекими, або занадто тьмяними, або занадто рознесеними в просторі, щоб їх можна було віднести до одного скупчення звичними методами. Однак, якщо вони потрапляють в область з підвищеною щільністю темної матерії - велика ймовірність, що вони все-таки входять в скупчення.
Ще це дуже важливо для космології: розподіл темної матерії допоможе більш точно визначити коміристу структуру нашого Всесвіту, що складається з пустот (або войдів) і галактичними нитками (або філаментами). Треба пам'ятати, що розширення Всесвіту ніяк не позначається на русі Сонячної системи, нашої Галактики і навіть галактичних скупчень. Воно вступає в гру тільки коли ми говоримо про рух галактичних скупчень один щодо одного. І чим більше ми дізнаємося про склад і кількість таких скупчень - тим повнішими будуть наші знання про Всесвіт загалом.