Международная группа астрономов из Кембриджского университета, в которую вошли два российских исследователя, нашла и удачно опробовала изящный метод наблюдения за темной материей, который способен пролить свет на структуру этой загадочной субстанции. Сегодня из наблюдений астрономы знают, что темной материи во Вселенной очень много —
она составляет более 80% массы Вселенной, оставаясь при этом невидимой и проявляя себя исключительно гравитационным взаимодействием.
Именно гравитационное притяжение темной материи указывает на то, что огромные массы темной материи находятся внутри крупных галактик. В рамках популярной сегодня теории «холодной» темной материи предполагается, что на первых этапах формирования Вселенной темная материя слипалась, образуя все большие сгустки, в них на определенном этапе начало падать обычное вещество, из которого и образовались наблюдаемые сегодня галактики и звезды.
Однако теория предсказывает, что помимо этого во Вселенной должны присутствовать и более мелкие клочки темной материи, так называемые суб-гало с массой «всего» тысячи и миллионы масс Солнца, воздействие которых на обычную барионную материю трудно заметить в силу их малой массы.
И если теория верна, то внутри каждого большого сгустка темной материи должно быть множество мелких, разбросанных также и по соседству, сгустков, внутри которых вообще нет никаких звезд — своеобразная иерархическая структура.
Поиском этих мелких сгустков и занялись ученые под руководством Дениса Эркала из Кембриджа, соавторами которого стали Сергей Копосов и Василий Белокуров (оба — выпускники Государственного астрономического института имени Штернберга).
Оказалось, что самым удобным способом выявить эти небольшие невидимые сгустки является наблюдение за приливными потоками, которые остаются при разрушении шаровых звездных скоплений, вращающихся вокруг нашей галактики. Такие скопления, группы из миллионов гравитационно связанных друг с другом звезд, вращаясь вокруг нашей галактики, в какой-то момент начинают терять звезды,
которые вытягиваются в длинный и — главное — тонкий хвост, шириной несколько световых лет.
Прелесть таких хвостов в том, что они очень чувствительны к пролетающим рядом тяготеющим объектам, которые легко могут разрушить или разорвать эту звездную нить.
«На данный момент подобные звездные потоки — потенциально лучший способ искать малые гало из темной материи, поскольку они мелкие и гравитационный эффект от них небольшой», — пояснил «Газете.Ru» соавтор работы, отправленной в журнал MNRAS, Сергей Копосов.
Несколько лет Эркал с коллегами просчитывали, как должны влиять пролеты таких гало на узкие звездные потоки, — это требовалось, чтобы знать, какие следы повреждений искать на приливных хвостах. Расчеты показали, что пролетевшие гало не просто образуют дыры, промежутки в потоке звезд, но и должны образовывать сгустки звезд на краях обрыва.
Именно такую картину и увидели астрономы, рассмотрев уже реальный поток звезд, образовавшийся от разрушенного шарового скопления Паломар 5.
Эти наблюдения были получены при помощи канадо-франко-гавайского телескопа, по их результатам был составлен каталог, в который были включены отдельные звезды этого потока.
На снимке видны два разрыва в потоке. Один резкий, слева от скопления, и второй размытый и протяженный — справа. При этом правый разрыв в точности совпадает по длине с предсказанным ранее расчетами, то есть с большой вероятностью он был вызван пролетевшим мимо сгустком темной материи.
«В принципе, левый промежуток может быть вызван не темной материей, а пролетом гигантского молекулярного облака в диске галактики, — пояснил Копосов. — Но дыра справа вызвана с большой вероятностью именно сгустком темной материи, так как не бывает таких протяженных молекулярных облаков».
Полученные наблюдения вполне согласуются с моделированием разрушения этого скопления за последние 8 млрд лет. На анимации видно, как по мере приливного разрушения скопление вытягивается в длину, а в конце разрывается пролетающими сгустками темной материи на небольшие части.
Однако главная польза от сделанного открытия — возможность оценить массу пролетевших сгустков, а значит — наложить ограничения на массу до сих пор и не открытых самих частиц темной материи. Дело в том, что чем меньше энергия этих частиц,
тем менее массивные сгустки темная материя может образовывать (быстрым частицам сложно удержаться вокруг малых масс).
«Одним из способов понять природу темной материи является определение минимальных размеров структур, которые она образует. До сих пор наименьшими структурами считались сотни миллионов масс Солнца (в карликовых галактиках), — пояснил астроном. — С помощью звездных потоков мы можем увидеть сгустки массой всего в миллионы масс Солнца».
Исходя из полученных наблюдений ученые вывели нижний предел на массу частиц темной материи — 18 килоэлектронвольт.