Гигантские нити пересекают Вселенную, соединяя скопления галактик, словно супермагистрали между городами. Их форма и структура содержат важнейшую информацию о содержании и истории Вселенной. Однако из-за их сложной формы их крайне сложно измерить. Теперь исследователи представили новый метод измерения массы этих нитей, который может быть использован для раскрытия секретов темной материи и темной энергии.
В самых крупных масштабах наша Вселенная напоминает паутину. Её вполне уместно назвать космической паутиной, и это самая крупная структура, встречающаяся в природе. Внутри космической паутины находятся небольшие, компактные скопления галактик, известные как скопления галактик. Между этими скоплениями находятся пустоты — обширные пространства, где практически ничего нет. А соединяют скопления нити.
Каждая нить образует остов сверхскопления и может простираться на десятки миллионов световых лет и содержать до сотен тысяч галактик.
Детальная форма космической паутины и её сложные структуры имеют долгую историю. Космическая паутина возникла более 13 миллиардов лет назад на заре Вселенной, когда звёзды и галактики впервые осветили космическое пространство. Современная структура космической паутины рассказывает нам об этой эволюции и тесно связана со свойствами обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии. Изменение любого из этих компонентов создаёт новый рисунок в космической паутине.
Нити темной материи. ESA/Springel et al., Virgo Consortium
Десятилетиями астрономы использовали простые статистические данные о космической паутине, например, среднее расстояние между галактиками, для получения информации об этих фундаментальных космологических составляющих. Но поскольку мы до сих пор не до конца понимаем природу тёмной материи и тёмной энергии, космологи жаждут получить больше информации о деталях космической паутины.
Нити представляют собой путь к изучению природы тёмной материи и тёмной энергии. В отличие от скоплений галактик, нити ещё не полностью коллапсировали. Но они всё ещё содержат гораздо больше материала, чем пустоты. Поэтому изменение количества тёмной материи и тёмной энергии может изменить среднюю длину, ширину и плотность нитей.
Но взвесить нить на данный момент очень сложно. Это связано с тем, что большая часть массы нити находится в форме тёмной материи, невидимой для наших наблюдений. Мы можем лишь составить карту видимых галактик и использовать её для определения истинной массы и структуры нити.
Недавно в статье, принятой к публикации в журнале The Astrophysical Journal, исследователи предложили метод, позволяющий сделать именно это. Они откалибровали свои методы в космологических моделях, отслеживающих эволюцию тёмной материи, звёзд и галактик. Исследователи обнаружили полезную связь между величиной, называемой «дисперсией красного смещения галактик», и массой тёмной материи.
В среднем галактики удаляются от нас в расширяющейся Вселенной. Однако галактики могут совершать дополнительное движение из-за своего локального гравитационного окружения. Так, например, если мы посмотрим на нить, некоторые галактики могут слегка двигаться в нашем направлении, в то время как другие немного удаляются. Галактики, движущиеся к нам, будут иметь небольшое смещение в сторону синего конца электромагнитного спектра, в то время как галактики, удаляющиеся от нас, будут испытывать небольшое смещение в красную сторону.
Исследователи взяли срезы каждого волокна и построили карту распределения этих красных смещений, чтобы получить представление о разбросе скоростей галактик. Затем они связали этот разброс скоростей галактик с массой тёмной материи в этом участке волокна. Они обнаружили тесную связь между этими двумя величинами, что позволило им реконструировать массу скрытой тёмной материи, находящейся внутри волокна, используя только наблюдаемые свойства галактик.
Однако это только первый шаг. Исследователи продолжат изучать взаимосвязь между скоростями галактик и массой тёмной материи, чтобы разработать эффективный и надёжный метод оценки массы. Затем, используя моделирование, они смогут увидеть, как эти величины изменяются в различных космологических сценариях. Заключительным шагом станет применение этой методики к реальным обзорам галактик, чтобы узнать, что нити могут рассказать нам о скрытых уголках Вселенной.
В начале 2024 года астрономы впервые обнаружили темную материю, свисающую с массивных нитей, которые тянутся по всей Вселенной и образуют «космическую паутину», которая опутывает галактики, словно паутина окутывает утреннюю росу.
Исследователи из Университета Ёнсе в Сеуле (Южная Корея) использовали телескоп Subaru — 8,2-метровый оптико-инфракрасный телескоп, расположенный вблизи вершины Маунакеа на Гавайях, — и влияние гравитации на свет, чтобы косвенно наблюдать темную материю, находящуюся на волокнах космической паутины в скоплении Волос Вероники. Результаты работы группы были опубликованы в январе 2024 года в журнале Nature Astronomy.
Это первое в истории обнаружение темной материи в космической паутине и может помочь подтвердить, как эта структура — с нитями, тянущимися на десятки миллионов световых лет — повлияла на эволюцию Вселенной.
Скопление Волос Вероники, также известное как Abell 1656, представляет собой совокупность более тысячи галактик и находится примерно в 321 миллионе световых лет от нас в направлении созвездия Волосы Вероники. Благодаря своим колоссальным размерам и относительной близости, скопление Волос Вероники является идеальным местом для учёных, занимающихся поиском тёмной материи в нитях космической паутины.
Диаграмма показывает, как свет от фонового источника искривляется под действием массы, создавая эффект, называемый гравитационным линзированием. НАСА, ЕКА и Л. Кальсада
Космическая паутина — это сеть нитей, состоящих из материи, которые питают галактики газом, способствуя их росту. Эта паутина также помогает объединять галактики в единое целое, приводя к их скоплениям.
Главные нити космической паутины сами по себе являются стенами сверхскоплений галактик, причём стена, соответствующая скоплению Волос Вероники, известна как
«великая стена». Великая стена была фактически первой обнаруженной сверхбольшой структурой во Вселенной.
Предполагается, что скопления галактик собираются в точках пересечения волокон, но эти волокна, как полагают, заканчиваются между галактиками и образуют так называемые «внутрископические волокна». Предполагается, что тёмная материя движется вдоль этих волокон космической паутины, свисая с этих внутрископических волокон.
Хотя космическая паутина, крупнейшая структура во Вселенной, известна уже несколько десятилетий, астрономы видели лишь слабое свечение её газовых нитей, когда они освещались яркими областями в центрах галактик, питаемыми сверхмассивными чёрными дырами. Эти активные чёрные дыры называются квазарами.
В 2023 году аппарат Keck Cosmic Web Imager, также установленный на вершине Маунакеа, впервые зафиксировал прямой свет, исходящий от тонких нитей паутины, пересекающихся друг с другом и тянущихся через самые тёмные уголки космоса. Эти нити изолированно расположены между галактиками, в самых крупных и скрытых частях космической паутины.
Однако «увидеть» расположение темной материи вокруг этих нитей космической паутины — это совсем другая история.
Компьютерная модель галактик, окруженных нитями газа, составляющими космическую паутину. Янник Бахе
Это связано с тем, что, несмотря на то, что темная материя составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, она невидима, поскольку не взаимодействует со светом, как это делает обычная материя, из которой состоят звезды и пыль.
Доминирование темной материи над обычной материей также означает, что она доминирует в нитях космической паутины, образуя невидимые каркасы, вдоль которых формируется структура Вселенной.
Однако, хотя темная материя и не взаимодействует со светом, она взаимодействует с гравитацией, и это взаимодействие влияет на движение повседневной материи и света, которые мы можем видеть.
Группа исследователей воспользовалась этой концепцией, чтобы обнаружить темную материю в волокнах космической паутины, пронизывающих скопление Волос Вероники.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Теория гравитации Альберта Эйнштейна 1915 года, известная как общая теория относительности, предполагает, что объекты, обладающие массой, вызывают искривление ткани пространства-времени. В свою очередь, теория объясняет, что то, что мы воспринимаем как гравитацию, возникает из-за этой кривизны. Более того, когда свет от фонового источника проходит через эту кривизну, его траектория изменяется.
Это может привести к тому, что фоновые источники будут казаться смещенными в небе, усиливаться или, в некоторых крайних случаях, даже появляться в нескольких точках одного изображения. Это называется гравитационным линзированием.
Гравитационное линзирование, по сути, использует гравитацию как увеличительное стекло. Сначала вы помещаете большую гравитационную яму (например, тёмную материю), которую хотите изучить, между собой и источником света (например, звездой или галактикой). Затем вы наблюдаете, как свет распространяется к вам от этого источника. Свет преломляется и закручивается вокруг гравитационной ямы, и по тому, как это происходит, можно судить об объекте в её центре, например, о его массе.
И если действительно кажется, что между вами и источником света ничего нет, но этот свет что-то преломляет, то перед вами некая темная материя.
Именно это и обнаружили учёные, изучая скопление Волос Вероники — сверхскопление галактик в 321 миллионе световых лет от нас, где, по предсказаниям астрономов, должно было сойтись несколько нитей космической паутины, и где, как следствие, должно было быть обильное количество нитей тёмной материи. Когда учёные направили телескоп в этом направлении, они увидели именно те сигналы гравитационного линзирования, которые и надеялись получить. Они были слабыми, но всё же присутствовали.
Это открытие не только интересно тем, что оно ещё раз подтверждает существование космической паутины в её первоначальном виде, но и, как надеется команда, даст нам немного больше информации о том, как развивалась Вселенная с течением времени. Возможно, когда-нибудь мы действительно полностью поймём, в каких необъятных просторах мы живём.
Таким образом, используя свет галактик и звезд за скоплением Волос Вероники, а также благодаря высокой чувствительности, высокому разрешению и широкому полю зрения камеры Hyper Suprime-Cam (HSC) телескопа Subaru, группа впервые обнаружила слабый эффект линзирования компонента темной материи внутрископленческих волокон.
Это первое в истории обнаружение темной материи на конечных участках космической паутины помогает дополнительно подтвердить существование крупномасштабной структуры, распространяющейся по всей Вселенной.
Группа исследователей из Австралии впервые зафиксировала ударные волны в космической паутине. Эти ударные волны могут помочь нам понять роль магнитных полей. Исследователи надеются, что изучение энергетического свечения этих ударных волн поможет ответить на вопросы о развитии Вселенной.
Магнитные поля космических масштабов долгое время оставались загадкой для всего человечества. Но открытие ударных волн в более тонких участках космической паутины может помочь исследователям лучше понять, как эти поля влияют на общую форму наблюдаемой Вселенной. Это также может помочь нам понять, как растёт космическая паутина.
В исследовании 2023 года, опубликованном в журнале Science Advances, Международный центр радиоастрономических исследований (ICRAR), базирующийся в Австралии, демонстрирует первое обнаружение ударных волн между скоплениями галактик. Эти волны представляют собой ускоренные частицы, движущиеся сквозь космические скопления, и свидетельствуют о всепроникающей природе магнитных полей.
«Когда материя сливается во Вселенной, возникает ударная волна, которая ускоряет частицы, усиливая межгалактические магнитные поля», — говорит Тесса Вернстром из Университета Западной Австралии в пресс-релизе. «Магнитные поля пронизывают Вселенную — от планет и звёзд до самых обширных пространств между галактиками. Однако многие аспекты космического магнетизма ещё не до конца изучены, особенно в масштабах, наблюдаемых в космической паутине».
Представьте себе космическую паутину как наблюдаемую Вселенную в больших масштабах — переплетённую сеть нитей и скоплений, наполненных газом, галактиками и тёмной материей, оплетающую космические пустоты диаметром в миллионы световых лет. Команда ICRAR хотела понять роль магнитных полей в таких масштабах, что, как уже давно доказано, является непростой задачей.
Эти магнитные поля, пронизывающие космическую паутину, пишет Вернстром в The Conversation, создаются движущимися энергичными частицами. Она также объясняет, что теория, лежащая в основе этого проекта, предсказывает, что «когда гравитация стягивает нить, возникают ударные волны, которые усиливают магнитное поле и создают свечение, которое можно увидеть в радиотелескоп». Эти ударные волны были обнаружены впервые.
Чтобы обнаружить эти неуловимые сигналы, команда использовала процесс, называемый стекингом, который заключается в наложении нескольких наблюдений друг на друга, что позволяет избавиться от фонового шума и усилить слабый сигнал достаточно, чтобы его обнаружить. Этот метод выявил признаки ударных волн, которые искала команда, ранее наблюдавшихся только при столкновениях скоплений галактик.
«Эти ударные волны испускают радиоизлучение, которое должно приводить к „свечению“ космической паутины в радиоспектре, — говорит Вернстром, — но его никогда не удавалось достоверно обнаружить из-за того, насколько слабы сигналы».
Но одного лишь наложения оказалось недостаточно. Ключевым оказалось сочетание этого метода с наблюдением за поляризацией этих полей. Крупномасштабные ударные волны, согласно работе Вернстрома, «заставляют магнитные поля упорядочиваться» и делают их сильно поляризованными, то есть движущимися в одном направлении.
Объединив идеи стекирования и поляризации, Вернстром написал, что команде удалось обнаружить «избыток сильно поляризованного света между скоплениями, гораздо больший, чем можно было бы ожидать от одних только галактик. Мы можем интерпретировать это как свет от ударных волн в соединительных волокнах».
Новое исследование предлагает новый взгляд на роль магнитных полей в нитях космической паутины. Более глубокое понимание силы и значения магнитных полей поможет исследователям лучше понять, как растёт Вселенная.
«Обнаружение и изучение этого свечения может не только подтвердить наши теории о том, как сформировалась крупномасштабная структура Вселенной, — пишет Вернстром , — но и помочь ответить на вопросы о космических магнитных полях и их значении».
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
