Ученые из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology) построили трехмерную карту распределения темной материи во Вселенной. С помощью космического телескопа Hubble (Hubble Space Telescope) и японского телескопа Subaru на Гавайях астрономы построили карту невидимого каркаса, на котором располагается обычная видимая материя. Карта охватывает данные о более чем полумиллионе галактик и является самой обширной на данный момент.

Непосредственно наблюдать темную материю невозможно, поскольку она не излучает ни в одном волновом диапазоне, но ее существование можно подтвердить по гравитационному воздействию на обычную материю.

Еще в 1930-ые годы была предложена гипотеза, которая объясняла, почему галактики с относительно небольшой массой не разлетаются. Ученые предположили, что они содержат большое количество невидимого вещества, чье притяжение связывает галактики.

На данный момент ученые считают, что 95% массы вселенной составляет невидимое темное вещество – темная материя.

Поскольку гравитация искривляет световые лучи, изображения далеких галактик всегда несколько искажены. Эти искажения, называемые иногда космическим астигматизмом, вызываются гравитационными линзами. Гравитационная линза это массивное тело — планета, звезда, галактика или скопление галактик, искривляющее излучение своим гравитационным полем, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза. По искажению изображения можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе.

В 1937 году швейцарский астроном Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) высказал предположение, что гравитационные линзы удастся явно обнаружить при наблюдениях массивных и протяженных астрономических объектов. Но прошло еще сорок лет, прежде чем первая природная гравитационная линза действительно была найдена. Тогда было предложено использовать явление гравитационной линзы, создаваемой скоплениями галактик, для наблюдений далеких галактик, поскольку, чем дальше от нас находится объект, тем больше вероятность, что идущее от него излучение будет искажено, встретившейся на пути галактикой.

Эта идея положила начало использованию гравитационных линз в космологии. Технику эту можно уподобить рассматриванию страницы книги с лупой. Анализируя искажения в формах галактики, были выведены свойства «линз», создаваемых непосредственно самой темной материей, и тогда удалось вычислить ее массу и положение в пространстве.

Новая трехмерная карта, созданная при использовании данных мощных телескопов и техники гравитационного линзирования, подтвердила предыдущее предположение о том, что темное вещество распространяется сквозь вселенную густыми глыбами и жирными нитями, и галактики вправлены в них подобно драгоценным камням. Карта также показывает, как структура темной материи развилась во времени.

Трехмерная карта распределения темной материи. Вверху показаны три временных среза темной материи на разных расстояниях от Земли. NASA, ESA, R. Massey (Caltech).

Исследователи разделили галактики, которые они наблюдали на три группы, в зависимости от того, как далеко они находятся от Земли. Расстояние до объектов определялось по силе красного смещения (эффект Доплера), наблюдаемого в свете галактик. Красным смещением объекта называется величина сдвига спектральных линий в красную область спектра. Наблюдатели, видящие объект, который удаляется от них, видят свет, имеющий большую длину волны, чем та, которая реально излучается объектом — это и есть красное смещение. Чем больше красное смещение от объекта, тем моложе была Вселенной, когда объект родился и начал испускать свет.

В трехмерной карте свет от галактик самой дальней от Земли группы соотносится со временем, когда вселенной было 6,5 миллиарда лет. Этот древний свет путешествовал дольше и через большее количество темного вещества, чем свет от галактик в самой близкой группе. Объединяя данные от всех трех групп, исследователи создавали трехмерную карту формы и расположения темного вещества в небе.

Новая карта показывает, что со временем, от ранней вселенной до более современной, темное вещество стало более плотным и менее волокнистым. Это находит соответствие с некоторыми современными теориями, которые заявляют, что Вселенная изменяется от состояния, в котором обычное и темное вещество было относительно равномерно распределено к состоянию, когда вещество сконцентрировано в одних местах больше, чем в других. Именно в этих областях высокой концентрации вещества находятся звезды, галактики и группы галактик.

Но не все ученые согласны с тем, что новая карта демонстрирует присутствие темного вещества. Согласно взглядам некоторых астрофизиков, гравитация не одинаково работает в разных частях Вселенной. И для того чтобы объяснить устройство Вселенной, в которой нет темного вещества, нужно всего лишь доработать Общую теорию относительности Эйнштейна.