Группа ученых под руководством Ратгерского университета нашла новые доказательства того, как растут галактики. Они смогли проследить за невидимыми нитями, из которых соткана наша Вселенная. Эти нити создает загадочная субстанция — темная материя.

В новом исследовании, которое опубликовали в журнале Astrophysical Journal Letters, астрономы использовали самую большую в истории выборку особых галактик. Они называются Lyman-alpha эмиттеры, и ученые изучали, как эти галактики собирались в скопления на протяжении миллиардов лет. Это позволило им гораздо лучше понять, как галактики связаны с окружающей их темной материей и как они меняются со временем.

Один из авторов исследования, Эрик Гавейзер, профессор физики и астрономии, объясняет:

Изучая эти отпечатки, мы можем понять, какова масса темной материи вокруг галактик. Данные показали, что она вполне соответствует идее о том, что из этих Lyman-alpha галактик со временем получились такие же миры, как наш Млечный Путь.

Ученые проанализировали снимки огромных участков неба, которые показывают нам Вселенную в разные эпохи — вскоре после Большого взрыва. И везде они нашли похожие узоры, похожие на космические отпечатки пальцев. Эти узоры указывают на места, где темной материи больше всего.

Темную материю нельзя увидеть, потому что она не излучает свет и вообще никак не взаимодействует с ним. Но ученые точно знают, что она есть. Она составляет основную часть всей массы во Вселенной. Мы знаем о ней благодаря ее гравитации: она влияет на движение галактик и на то, как они распределяются в пространстве.

Работой руководила аспирантка Дани Херрера. Исследователи использовали данные масштабного проекта под названием ODIN. Это огромная астрономическая программа, цель которой — изучить больше ста тысяч Lyman-alpha галактик.

Они сосредоточились на участке неба, который называется COSMOS Deep Field. Это один из самых глубоких обзоров космоса из всех, что когда-либо делали. Заглянув в далекое прошлое, ученые увидели три периода: примерно через 2.8, 2.1 и 1.4 миллиарда лет после Большого взрыва. В то время галактики Lyman-alpha были молодыми и в них активно рождались звезды. Поэтому они — идеальные маяки для наблюдений. В них много водорода, который дает особенное свечение, позволяя астрономам находить их тысячами.

Мы хотели отыскать темную материю, чья гравитация заставляет галактики сливаться и расти, — говорит Херрера. — Понимание того, где она находится и как менялась, помогает нам понять, как развивалась сама Вселенная.

Темная материя работает как гравитационный клей. Она помогает газу собираться в комки, из которых потом рождаются галактики.

Ее невидимая масса создает в космосе глубокие ямы, в которых галактики могут расти, сталкиваться и развиваться, формируя крупномасштабную структуру Вселенной.

Мы смотрели на то, насколько кучно расположены галактики, чтобы определить, где темная материя плотнее всего, — рассказывает Гавейзер. — Мы изобразили это в виде карты с линиями равной плотности, как на туристических картах рисуют высоту. Так мы увидели эти самые «отпечатки пальцев» темной материи в далеком космосе.

Исследователи обнаружили одну любопытную вещь. Оказалось, что Lyman-alpha галактики составляют лишь от 3 до 7 процентов от всех галактик, которые живут в самых плотных областях темной материи. Это совсем немного. И это говорит о том, что ученые застали их в довольно короткую фазу жизни. Они светятся Lyman-alpha светом всего несколько десятков или сотен миллионов лет.

Чтобы получить такие результаты, астрономы применили метод изучения кластеризации. Простыми словами, они оценивали, насколько галактики сгруппированы по сравнению со случайным распределением. Они считали пары галактик и вычисляли так называемую угловую корреляционную функцию.

Ученые уверены, что их работа не просто помогает глубже понять эволюцию галактик, но и позволяет уточнить модели устройства Вселенной. Проект ODIN продолжается, и в будущем исследователи изучат еще больше галактик, чтобы получить более полную картину космической паутины.

Темная материя невидима для наших телескопов, но она формирует Вселенную, взаимодействуя с обычным веществом, — подводит итог Гавейзер. — Пока одни ученые пытаются понять, что это такое, другие, как наша команда, пытаются выяснить, где она находится и что это говорит нам об эволюции космоса.

На первый взгляд может показаться, что поиск невидимой материи за миллиарды световых лет от нас — это чистое любопытство, далекое от повседневности. Но на самом деле такие исследования работают на перспективу, и польза от них огромна.

• Для науки: без понимания темной материи у нас нет целостной картины мира. Это исследование дает ученым недостающие кусочки. Оно позволяет проверить и уточнить фундаментальные теории о том, как устроен космос. Если наши модели правильно предсказывают, как темная материя распределялась миллиарды лет назад, значит, мы на верном пути. Это создает базу для будущих открытий. Это как открытие структуры ДНК: тогда никто не знал, к чему это приведет, а теперь это основа всей современной медицины.

• Для реальной жизни: ради таких задач астрономам приходится развивать технологии, которые потом «спускаются на землю». Чтобы обработать данные о ста тысячах галактик, нужны невероятные вычислительные мощности и хитрые алгоритмы. Методы обработки изображений, математические модели, новые материалы для датчиков — все это находит применение в самых разных сферах. От создания более мощных компьютерных чипов до улучшения медицинских томографов и систем навигации. Изучая далекие галактики, мы учимся лучше жить здесь.

При всей значимости работы, к ней стоит отнестись с долей здорового скептицизма. Главный момент — это идентификация самих галактик. Мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад, и только в одном узком диапазоне спектра — в свете Lyman-alpha. Мы уверены, что это молодые, активно звездообразующие галактики, но это лишь одна сторона медали. Что, если мы систематически пропускаем какие-то другие галактики, которые не светятся в этом диапазоне, но находятся в тех же областях темной материи? Тогда наша статистика (те самые 3–7 процентов) будет неполной. Получается, что мы делаем выводы о «населении» темных областей на основе очень специфической выборки „жильцов“. Это все равно что судить о жителях целого города, опросив только посетителей одного ночного клуба. Исследователи сами говорят, что фаза свечения короткая, а значит, мы смотрим на очень динамичный, но не самый репрезентативный процесс.

Ранее ученые открыли новый способ найти невидимую массу Вселенной.