Космический телескоп James Webb Space Telescope (JWST), запущенный в 2022 году и изначально ориентированный на изучение ранних этапов развития Вселенной и формирования галактик, может также дать принципиально новую информацию о тёмной материи — загадочной невидимой субстанции, составляющей большую часть всей материи во Вселенной, но не взаимодействующей с электромагнитным излучением напрямую. Новые данные и анализ могут позволить астрономам сравнивать современные теории тёмной материи с наблюдаемыми структурами далеких галактик, что открыло неожиданный путь к изучению этой фундаментальной космической загадки.
Что такое тёмная материя и почему она важна
Тёмная материя — это форма материи, которая не испускает, не отражает и не поглощает свет, из-за чего она невидима большинству телескопов. В современной космологии считается, что она составляет около 85 % всей материи во Вселенной, влияя на движения галактик, скорости вращения спиральных галактик и крупномасштабную структуру космоса, но оставаясь при этом невидимой для прямого наблюдения. Именно гравитационные эффекты, а не прямое излучение, позволяют учёным делать выводы о её присутствии.
Традиционный подход к изучению тёмной материи опирается на наблюдение того, как она искажает траектории движения видимой материи: например, смещает орбиты звёзд или влияет на прохождение света через эффект гравитационного линзирования. Это явление, предсказанное общей теорией относительности Эйнштейна, проявляется, когда массовые скопления искривляют пространство-время и тем самым изменяют путь световых лучей от удалённых галактик.
Почему JWST может помочь в изучении тёмной материи
Хотя JWST не может непосредственно обнаружить тёмную материю, поскольку та не взаимодействует со светом, он способен фиксировать её косвенные эффекты на видимые структуры галактик. Новые исследования показывают, что изображения, полученные космическим телескопом, позволяют выявлять аномальные формы молодых галактик, которые могут указывать на влияние нестандартных свойств тёмной материи.
Одной из таких особенностей является появление удлинённых, нитевидных или волокнистых форм молодого галактического вещества на ранних стадиях развития Вселенной. Наблюдаемые структуры кажутся несовместимыми с классической моделью холодной тёмной материи (Cold Dark Matter, CDM), где частицы движутся медленно и формируют относительно плотные гало вокруг галактик. Вместо этого JWST фиксирует формы галактик, которые могут соответствовать альтернативным видам тёмной материи, например:
- ультралёгким частицам, таким как аксионы, которые обладают волновыми свойствами и способствуют более сглаженным распределениям вещества;
- тёплой тёмной материи, чьи частицы движутся быстрее и могут формировать структуры другого масштаба.
Сопоставление наблюдаемых структур с моделями показывает, что некоторые галактики выглядят так, словно под влиянием более гладкого или более динамичного распределения невидимой материи, чем это предсказывает стандартная CDM-теория. Именно это несоответствие может помочь уточнить свойства частиц тёмной материи, если такие модели подтвердятся большим набором данных.
Примеры аномалий в галактических структурах
Учёные заметили, что некоторые молодые галактики, наблюдаемые JWST, демонстрируют удлинённую, нитевидную структуру, которая становится заметной при тщательном анализе снимков глубоких полей. Эти структуры простираются на многие световые годы и отличаются от традиционных компактных форм, ожидаемых в рамках классической теории формирования галактик.
Симуляции показывают, что такие формы могут возникать, если тёмная материя обладает определёнными свойствами, отличными от стандартных моделей: например, если её частицы легче, чем предполагалось ранее, либо взаимодействуют между собой иначе. Эти отличия изменяют характер гравитационных возмущений, создавая длинные и мягкие волокна вещества, которые отражаются в видимой части галактик.
Как JWST помогает сравнивать теории и наблюдения
Для проверки моделей тёмной материи учёные используют сочетание наблюдательных данных и компьютерных симуляций. Обсерваторные данные сжимают в форму распределения плотности и структуры галактик на разных стадиях космической истории. Затем эти данные сопоставляют с результатами теоретических симуляций, в которых предполагаются различные свойства частиц тёмной материи.
Телескоп JWST обладает рядом преимуществ для таких исследований:
- Высокое пространственное разрешение позволяет фиксировать мелкие детали галактик на ранних этапах развития.
- Чувствительность в инфракрасном диапазоне даёт доступ к свету очень удалённых объектов, смещённых к красному спектру из-за расширения Вселенной.
- Глубокие наблюдения широких областей неба обеспечивают большую статистическую выборку галактик, что критически важно для выявления закономерностей в их формах и распределении.
В совокупности эти качества делают JWST одним из самых мощных инструментов для изучения влияния тёмной материи на формирование структуры Вселенной.
Почему это важно для космологии
Понимание природы тёмной материи — одна из ключевых задач современной космологии. Несмотря на её доминирующую роль в массе Вселенной, свойства тёмной материи остаются неизвестными. Новые наблюдения и сопоставление их с теоретическими моделями могут:
- помочь определить массу и характер движений частиц тёмной материи;
- исключить некоторые теоретические варианты, оставаясь в рамках наблюдаемых закономерностей;
- уточнить модели формирования галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.
Открытия, полученные с помощью JWST, постепенно превращают телескоп из инструмента изучения ранних галактик в важный инструмент для тестирования фундаментальных гипотез космологии, включая природу тёмной материи.
Вывод
Хотя JWST не способен непосредственно обнаружить частицы тёмной материи, он может косвенно пролить свет на её свойства за счёт анализа форм и структур галактик, наблюдаемых на ранних этапах эволюции Вселенной. Наблюдения аномальных нитевидных и удлинённых галактик дают основания полагать, что данные JWST могут быть использованы для тестирования различных гипотез о том, из чего состоит тёмная материя и как она формирует крупномасштабную структуру космоса.
Источники:
Статья создана по материалам https://www.space.com/astronomy/dark-universe/james-webb-space-telescope-could-illuminate-dark-matter-in-a-way-scientists-didnt-realize
