Темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет. Её присутствие известно только по гравитационному притяжению к видимой материи в космосе. Таким образом, темная материя остается такой же неуловимой, как Чеширский кот из Алисы в стране чудес — вы видите только его ухмылку (в форме гравитации), но не само животное.
Один из способов, которым астрономы могут обнаружить темную материю — это измерение того, как ее гравитация искажает пространство, эффект, называемый гравитационным линзированием.
Исследователи обнаружили, что мелкомасштабные концентрации темной материи в кластерах создают эффекты гравитационного линзирования, которые в 10 раз сильнее, чем ожидалось. Эти данные основаны на очень подробных наблюдениях нескольких массивных скоплений галактик телескопом Hubble и Европейской южной обсерватории Very Large Telescope (VLT) в Чили.
Скопления галактик, самые массивные структуры во Вселенной, состоящие из отдельных галактик-членов, являются крупнейшими хранилищами темной материи. Они не только удерживаются вместе в значительной степени гравитацией темной материи, но и включают в себя большие её объемы. Таким образом, темная материя в кластерах оказывает влияние как на большие, так и на мелкие события.
Распределение темной материи в кластерах отображается через изгиб света или эффект гравитационного линзирования, который они производят. Гравитация темной материи усиливает и искажает свет от далеких фоновых объектов, подобно кривому зеркалу, создавая искажения, а иногда и множественные изображения одной и той же далекой галактики. Чем выше концентрация темной материи в скоплении, тем различимее световые аномалии.
Четкие изображения Hubble в сочетании со спектральным анализом VLT помогли команде ученых создать высокоточную карту темной материи. Они идентифицировали десятки многократно отображаемых линзированных фоновых галактик. Измеряя искажения линз, астрономы смогли рассчитать объём и распределение темной материи.
Три ключевых скопления галактик, использованные в анализе, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 и Abell S1063, были частью двух обзоров Hubble: The Frontier Fields иCluster Lensing And Supernova с Hubble (CLASH).
К удивлению команды, изображения Hubble также выявили дуги меньшего масштаба и искаженные изображения, вложенные в искажения линз большего размера в ядре каждого скопления, где находятся самые массивные галактики. Результатами своих наблюдений ученые поделились на страницах журнала Science.
Исследователи полагают, что вложенные искажения являются результатом гравитации плотных концентраций темной материи, связанной с отдельными скоплениями галактик. Известно, что распределение темной материи во внутренних областях отдельных галактик усиливает общий эффект линзирования. Последующие спектроскопические наблюдения были использованы в исследовании для измерения скорости звезд, вращающихся внутри нескольких галактик скопления. Скорость звезд позволила оценить общую массу каждой отдельной галактики, включая количество темной материи.
Команда сравнила карты темной материи с образцами смоделированных скоплений галактик с аналогичными массами, расположенных примерно на тех же расстояниях, что и наблюдаемые скопления. В смоделированные объекты не показали наблюдаемый уровень концентрации темной материи на небольших масштабах — связанных с отдельными скоплениями галактик. Исследователи планируют продолжить тестирование алгоритмов моделирования, для поиска некой переменной, о существовании которой человечеству ещё неизвестно.