Есть несколько вещей, которые возбуждают нас больше, чем тайны темной материи и искривление пространства-времени, но когда вас заворачивают в потрясающее изображение кольца Эйнштейна, вы знаете, что находитесь в чем-то особенном.
В 2014 году Атакамская Большая миллиметровая/ субмиллиметровая Решетка Array (ALMA) в Чили наблюдала поразительную космическую причуду во время своей кампании Long Baseline. Она увидела далекую галактику, искаженную до неузнаваемости с помощью гравитационного поля массивной галактики на переднем плане. Это так называемое "кольцо Эйнштейна", названное в честь общей теории относительности Эйнштейна, которая предсказывала, что пространство-время можно согнуть наличием мощного гравитационного поля.
В этом случае на переднем плане находится галактика перед более отдаленной галактикой, расположенной примерно в 12 миллиардах световых лет от Земли, в результате чего свет далекой галактики искривляется, чтобы пройти вокруг искривленного пространства-времени. Результатом был почти идеальный круг галактического света, принимаемого ALMA в качестве одного из наиболее ярких примеров гравитационного линзирования. Гравитационное линзирование распространено в наблюдениях глубоких космоса, когда массивные галактики и скопления галактик, искривляют пространство-время как податливый резиновый лист, часто создавая "кривой" зеркальный эффект, искажающий наблюдаемые формы далеких галактик, чей свет предпринял беспорядочный путь через запутанный пространственно-временной пейзаж.
Но иногда, как оказалось в этом примере, выравнивание может быть настолько совершенным, что свет далекой галактики может быть деформирован вокруг симметричного переднего плана галактики, создавая кольцо, напоминающее пламя свечи, находящееся за увеличительным стеклом. Гравитационные линзы являются естественными увеличительными линзами Вселенной и они используются с помощью космического телескопа Хаббла, например, для увеличения его наблюдательной силы в рамках проекта Frontier Fields.
Хотя это выглядит как совершенное кольцо, это частное наблюдение гравитационной линзы "SDP.81" имеет некоторые крошечные искажения кольца и астрономы использовали эти искажения, чтобы выявить наличие невидимой карликовой галактики, расположенной в непосредственной близости от более массивной линзирующей галактики. И эта крошечное скопление звезд запаковано темной материей.
"Мы можем найти эти невидимые объекты таким же образом, что вы можете увидеть капли дождя на окне", - сказал в заявлении Яшар Хезавех из Стэнфордского университета, штат Калифорния. "Вы знаете, что они там, потому что они искажают образ фоновых объектов". Капли дождя тонко преломлять свет, искажая свет, проходящий через окно; во многом таким же образом гравитационное поле невидимой карликовой галактики создает незначительные искажения в кольце Эйнштейна, раскрывая свое присутствие в крошечной деформации пространства-времени.
Обнаружение этого искажения и понимание того, что оно было связано наличием невидимой галактики не было легкой задачей, и потребовало огромных вычислительных затрат, требуя, в частности, время на одном из самых мощных в мире суперкомпьютеров, Национального научного фонда Blue Waters.
Из-за своей близости к большей галактике, ее оценочной массы и отсутствия оптических данных, команда Хезавех думает, что они нашли очень тусклую карликовую галактику, в которой доминирует темная материя.
По предсказаниям, большие галактики должны иметь большое население спутниковых карликовых галактик, но астрономические исследования могут обнаружить только несколько примеров. Наша галактика, как известно, имеет около 40 таких спутников, но модели предсказывают, что там должны быть тысячи подобных.
"Такое расхождение между наблюдаемыми и предсказанными данными по количеству спутников было одной из основных проблем в космологии в течение почти двух десятилетий, некоторые исследователи даже называли это «кризисом»", - сказал член команды Нил Далаль из Университета штата Иллинойс. "Если эти карликовые объекты состоят из темной материи, это может объяснить расхождение, предлагая новое понимание истинной природы темной материи".
Теперь есть надежда, что многие другие гравитационные линзы могут быть изучены, для поиска искажений, вызванных другими карликами с доминированием темной материи, и мы надеемся объяснить, откуда взялось такое странное несоответствие наблюдений по сравнению с теорией. Если мы сможем сделать это, то, возможно, мы сможем лучше уточнить темные модели материи и перейти на шаг ближе к пониманию того, почему темная материя составляет 85 процентов всей массы во Вселенной.