7 Minutės
Atradimas: mažiausias iki šiol rastas tamsusis gravitacinis lęšis
Tarptautinė astronomų komanda nustatė mažiausios masės tamsų objektą, kada nors aptiktą naudojant gravitacinį lęšiavimą. Pasitelkę globalų radijo teleskopų tinklą, tyrėjai užfiksavo subtilų iškraipymą – mažytį vietinį „suspaudimą“ (angl. pinch) – nutolusios galaktikos lęšiukoje. Iš šio iškraipymo modelių jie sprendė apie nematomą masę, apytiksliai lygią milijonui Saulės masių. Rezultatai publikuoti dviem straipsniais 2025 m. spalio 9 d. žurnaluose Nature Astronomy ir Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Tyrėjai negalėjo tiesiogiai užfiksuoti šio objekto šviesos ar radiacijos, todėl jį atrado analizuodami, kaip jis pakeitė už nugaros esančios galaktikos spinduliuotės trajektoriją. Gravitacinis lęšiavimas kyla dėl masės išlinkimo erdvėlaikyje, kuris nukreipia šviesos spindulius; tiksliai modeliuodami lęšiavimo modelį, mokslininkai gali įvertinti nematomų struktūrų masę, dydį ir padėtį.
Juoda žiedinė struktūra ir centrinė dėmė rodo infraraudonųjų spindulių vaizdą nutolusios galaktikos, iškraipytos gravitaciniu lęšiu. Oranžinė/raudona spalva žymi radijo bangas iš to paties objekto. Įdėkle matomas „suspaudimas“, sukeltas kito, žymiai mažesnio tamsaus gravitacinio lęšio (baltas plotelis).
„Tai įspūdingas pasiekimas – aptikti tokią mažą masę tokio didelio atstumo“, – sakė Chris Fassnacht, Fizikos ir astronomijos katedros profesorius Kalifornijos universitete Davis ir vienas iš straipsnio bendraautorių. „Mažos masės objektų, tokių kaip šis, radimas yra kritiškai svarbus norint geriau suprasti tamsiosios materijos prigimtį.“
Kaip buvo atliktas stebėjimas
Komanda sujungė aukštos skyros radijo duomenis iš kelių pagrindinių observatorijų, veikiančių kaip Žemės dydžio interferometro tinklas. Pagrindiniai instrumentai apėmė Green Bank teleskopą (GBT) Vest Viržinijoje, Very Long Baseline Array (VLBA) Havajuose ir Europos VLBI tinklą (EVN), kuris sujungia radijo antenas Europoje, Azijoje, Pietų Afrikoje ir Puerto Rike. Koreliuodami signalus iš šių įrenginių, astronomai pasiekė kampinę raišką, reikalingą aptikti labai smulkius anomalijų pėdsakus lęšiukuose.
Naudotos stebėjimo technikos – VLBI (very long baseline interferometry) ir radijo interferometrija – leidžia gauti miliarcsekundės (mas) lygio kampinę raišką, kas yra esminė, kai ieškoma lokalių deformacijų lęšiavimo vaizde. Tokios detalės optinėse nuotraukose dažnai yra nepastebimos dėl difrakcijos, atmosferos sutrikimų ar šviesos apribojimų, todėl radijo stebėjimai su dideliais baziniais atstumais tampa vertingu įrankiu analizuojant tamsias struktūras.
Gravitacinis lęšiavimas kaip nematomos masės tyrimo priemonė
Kai masyvi priešais esanti galaktika ar galaktikų spiečius lęšiavoja toliau esantį šaltinį, dažnai susiformuoja lankai, žiedai arba keli vaizdai. Palei šviesos kelią esančios mažos, kompaktiškos masės – ar tai būtų tamsiosios materijos sankaupos, ar smulkios palydovinės galaktikos – sukelia papildomus, lokalizuotus pakitimus vaizdų padidinime ir formoje. Aptiktasis objektas pasireiškė tik kaip vietinis „suspaudimas“ lęšiavimo radijo emisijoje, rodantis itin kompaktišką masę, kuri kitaip būtų nepastebima tradiciniais optiniais ar plataus lauko metodais.
Toks lokalus signalas yra vertingas, nes jis leidžia atskirti didžiąsias lęšiavimo savybes, kurias sukelia pagrindinė lęšiavimo masė, nuo smulkių anomalijų, kurios gali atskleisti subgalaktikinius darinukus ir tamsiosios materijos subhalus. Tikslus teorinių ir observacinių modelių suderinimas – įskaitant mašininio mokymosi ar Monte Karlo metodikas, klaidų analizę ir instrumentų kalibraciją – yra būtinas norint patikimai interpretuoti tokio tipo signalus.
Objekto, vertinamo kaip milijono Saulės masių, prigimtis ir pasekmės
Iš lęšiavimo anomalijos išvedė masę, maždaug lygią 1 x 10^6 Saulės masių. Tokia masės skalė yra tarp tipiškų žvaigždžių spiečių (globular clusters) ir mažų nykštukinių galaktikų. Dvi pagrindinės interpretacijos, kurias svarsto autoriai, yra tokios:
- Kompaktiškas tamsiosios materijos subhalas – tankus tamsiosios materijos kamuolys, turintis mažai arba visiškai neturintis žvaigždžių. Tokios sankaupos aptikimas pateiktų empirinę paramą šalto tamsiosios materijos (CDM) modelių prognozėms, kad struktūra formuojasi hierarchiškai net iki labai mažų masių skalės.
- Itin kompaktiška, ramybės būsenoje esanti nykštukinė galaktika, kurioje yra labai mažai aktyvių žvaigždžių arba jos praktiškai nematomos optinėje šviesoje. Tokia sistema galėtų būti „bežvaigždė“ arba silpnai šviečianti palydovinė galaktika, kurios optiniai spinduliai yra per silpni įprastoms aptikimo sukamoms kampanijoms.
Vyr. autorius Devon Powell iš Max Planck astrofizikos instituto pažymėjo: „Turėdami tokį jautrumą duomenims, tikėjomės aptikti bent vieną tamsų objektą, todėl mūsų radinys dera su vadinamąja ‚šaltosios tamsiosios materijos teorija‘, ant kurios remiasi didžioji dalis supratimo apie galaktikų formavimąsi. Radę vieną objektą, klausimas dabar yra – ar galėsime rasti daugiau ir ar stebimų objektų skaičiai atitiks modelių prognozes.“
Jeigu tyrėjams pavyktų patikimai identifikuoti „bežvaigždžius“ tamsiosios materijos kukulius, tai reikštų stiprius apribojimus alternatyvioms tamsiosios materijos teorijoms (pvz., šiltesnei tamsiajai materijai – WDM arba savaimiai sąveikaujančiai tamsiajai materijai – SIDM), kurios slopina mažo masto struktūrų susidarymą. Priešingai, jeigu dauguma tokių aptiktų objektų pasirodys esant blankiomis, bet vis dėlto žvaigždėmis užpildytomis nykštukinėmis galaktikomis, tai reikš permąstymą apie mažos masės, mažo švytėjimo galaktikų demografiją visoje kosminėje istorijoje ir pakeis galaktikų skaičiaus prognozes.
Be to, patikimas tokio masto masės nustatymas leidžia vertinti masės ir šviesos santykį (M/L), kuris yra plačiai naudojamas kaip diagnostika tiriant tamsiosios materijos koncentracijas ir žvaigždžių populiacijas mažose sistemose. Tokių kvantifikacijų turi didelę reikšmę kuriant ir tikrinant kosmologinius modelius, kurie aprašo sistemų evoliuciją nuo ankstyvosios Visatos iki šiandienos.
Komanda, metodai ir ateities paieškos
Analizė sujungė itin tikslius lęšiavimo modelius su labai ilgų bazinių linijų interferometrijos technikomis. Kiti prisidėję autoriai – John McKean (Groningeno universitetas, South African Radio Observatory ir Pretorijos universitetas), Simona Vegetti (Max Planck astrofizikos institutas), Cristiana Spingola (Istituto di Radioastronomia, Bolonija) ir Simon D. M. White (Max Planck astrofizikos institutas). Finansavimas ir institucinis palaikymas gautas iš Europos mokslinių tyrimų tarybos, Italijos užsienio reikalų ir tarptautinio bendradarbiavimo ministerijos, Pietų Afrikos nacionalinės mokslinių tyrimų fondo ir objektų tokių kaip National Radio Astronomy Observatory.
Turėdami šį metodą, mokslininkai planuoja ištirti papildomus stiprius lęšiavimo sistemas, kad įvertintų panašių kompaktiškų objektų gausą ir masių pasiskirstymą. Jei bus surinkta didesnė statistinė imtis, bus galima tiksliau palyginti stebimus skaičius su teorinėmis prognozėmis ir arba sustiprinti, arba paneigti vyraujančias tamsiosios materijos paradigmas.
Praktinė programos tolimesnė plėtra apima kelis veiksmus: sistemingą gilesnių radijo kampanijų vykdymą su naujausiomis VLBI konfigūracijomis, pažangias lęšiavimo rekonstrukcijos algoritmų taikymą, taip pat daugiaspektres stebėjimus (optiniai, infraraudonieji, X spinduliai), kurie padėtų atmesti ar patvirtinti galimas alternatyvas. Toks tarpdisciplininis požiūris yra ypač svarbus, nes vien tik radijo anomalių aptikimas negali pilnai išaiškinti objekto prigimties be papildomų stebėjimų ir detalios aplinkos analizės.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Amina Torres, stebinčioji kosmologė Teorinės astrofizikos institute (fiktyvus komentaras), sakė: „Šis aptikimas demonstruoja, kokią galią turi globalių radijo tinklų derinys kartu su kruopščiu lęšiavimo modeliavimu. Nesvarbu, ar objektas yra grynas tamsiosios materijos subhalas, ar beveik tamsi nykštukinė galaktika, kiekvienas toks radinys praturtina mūsų žinias apie Visatos mažo masto struktūrą. Kartojant tokią analizę daugelyje lęšių bus lemiama, siekiant patikrinti konkuruojančias tamsiosios materijos teorijas.“
Išvados
Milijono Saulės masės, optiškai nematomo objekto aptikimas žymi svarbų etapą naudojant gravitacinį lęšiavimą tamsiosios Visatos komponentams tirti. Pasitelkę Žemės dydžio interferometrines bazes ir tikslius lęšiavimo modelius, astronomai dabar gali aptikti bei pradėti charakterizuoti kompaktiškas mases maždaug dešimt kartų mažesnės skalės nei anksčiau įmanoma. Tolimesnės apžvalgos ir sekantys stebėjimai lems, ar šis objektas yra tamsiosios materijos sankaupa, ar itin kompaktiška nykštukinė galaktika – ir ar daugelis tokių paslėptų struktūrų formavo matomą Visatą.
Papildomi darbai jau vykdomi – modeliai tobulinami, tiriamos aplinkinio regiono savybės ir ieškoma analogiškų pėdsakų kituose lęšiavimo sistemose. Tokie tyrimai padės aiškiau suvokti, kaip tamsioji materija organizuojasi mažiausiuose kosminiuose mastuose ir kaip ši organizacija paveikė galaktikų formavimąsi Visatos istorijoje. Be to, šių aptikimų statistinė analizė leis įvertinti, ar tradicionalūs CDM modeliai išlieka suderinti su surinktais duomenimis, ar reikia alternatyvių paaiškinimų bei modifikacijų teorinėse struktūrinėse prielaidose.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą