9 Minutės
Maždaug milijono Saulės masės kompaktiška ir nematoma masė buvo aptikta įterpta į galaktiką, kurios šviesa keliavo 7,3 milijardo metų, kol pasiekė Žemę. Astronomai šį paslaptingą „gniužulą“ atrado ne tiesiogiai jį pamatę, o žemėlapiu užfiksavę, kaip jis iškreipia dar toliau esančios galaktikos šviesą — puikus gravitacinio lenkimo pavyzdys, kai matoma įtaka atskleidžia nematomą objektą.
How gravity exposed an invisible object
Tamsioji materija yra Visatos nematoma sija: ji neskleidžia šviesos ir daugiausia sąveikauja per gravitaciją. Ta pati gravitacija gali atskleisti jos buvimą, iškreipdama tolimesnių galaktikų šviesą. Kai masyvi artimesnė galaktika įlinkina erdvėlaikį, tolimo šaltinio šviesa yra ištempiama, padidinama ir dažnai pasirodo kaip lankai, žiedai arba keli vaizdai — tai vadinama gravitaciniu lenkimu.
Gravitacinis lenkimas veikia kaip natūralus kosminis teleskopas: jis sustiprina silpnas ar tolimas šviesos sroves ir leidžia astronomams tyrinėti struktūras, kurios kitu atveju būtų neprieinamos. Tokiu būdu galima ne tik matyti pačius tolimus objektus, bet ir atsekti trūkumus ar perteklių masės pasiskirstyme artimesniame lente — tai suteikia galimybę aptikti net nematomus masės koncentratus.
Šiame kontekste svarbu atskirti keletą sąvokų: lęšio masė (lens mass) nulemia bendrą šviesos poslinkį, tuo tarpu smulkūs masės nenormalumai — subhalo ar kompaktiški klasteriai — sukelia lokalias iškraipymo anomalijas. Tokios lokalinės anomalijos yra būtent tai, kas leidžia aptikti mažus, bet tankius objekto šaltinius, įskaitant tamsiosios materijos substruktūras.
Diagram illustrating gravitational lensing
Objekte žinomuose JVAS B1938+666 lente mokslininkai užfiksavo subtilų, lokalizuotą įdubimą viename iš lęšiu žybsinčių lankų: siaurą įlinkį, kuris neatitiko pagrindinės artimesnės galaktikos tolygaus masės pasiskirstymo. Toks netikėtumas rodė į kompaktišką masės guzą — santykinai mažą kosmologiniu mastu, tačiau pakankamai tankų, kad paliktų aiškų gravitacinį pėdsaką.
Išsamus modeliavimas parodė, kad šis smulkus defektas nenukrypo nuo to, ką galėjo sukelti mažas, bet tankus masės segmentas lęšio plote. Tai leido tyrėjams teigti, kad priežastis nėra instrumentinė klaida ar atsitiktinis triukšmas vaizde, o tikra masės koncentracija, veikianti kaip vietinė perturbanija pagrindiniame lense.
The observation campaign: instruments and technique
Tokio mažo gravitacinio pėdsako aptikimas kosmologiniu atstumu reikalavo koordinuoto kelių aukštos raiškos radijo teleskopų panaudojimo. Tyriusiųjų grupę, kuriai vadovavo astrofizikas Devon Powell iš Max Planck astrofizikos instituto, sudarė duomenys iš Green Bank teleskopo, Very Long Baseline Array (VLBA) ir European VLBI Network (EVN), o optinis stebėjimas buvo palaikytas Keck observatorijos duomenimis.
Radijo interferometrija, ypač VLBI (Very Long Baseline Interferometry), suteikia sub-miliarksekundinį erdvinį raiškumą, leidžiantį aptikti labai smulkias struktūras lensed vaizduose. Panaudojus kelis instrumentus kartu, tyrėjai galėjo surinkti detalią informaciją apie lęšio vaizdų formą, ryškumą ir smulkius nuokrypius, kurie yra būtini rekonstruojant masės pasiskirstymą.
Be to, tyrime buvo taikomos pažangios gravitacinio vaizdavimo (gravitational imaging) metodikos — algoritmai, kurie apverčia lęšio sukurtą šviesos žemėlapį ir atkuria pradinį masės pasiskirstymą lęšio plane. Šie metodai naudoja tiek fizinius modelius, tiek reguliarizacijos kriterijus, kad atskirtų tikras masės perturbanijas nuo triukšmo ir netikslumų duomenyse.
JVAS B1938+666 lęšio sistema, su įdėklo vaizdu, atskleidžiančiu gniužulo padėtį. Balti pikseliai parodo apytikslę masės formą. (Keck/EVN/GBT/VLBA)
Tyrėjų komanda taikė kelių žingsnių metodiką: pirmiausia jie sukonstravo gerai apibrėžtą glotnų lęšio masės modelį, o po to ieškojo likučių (residuals) ir lokalių anomalijų, kurios neišeina paaiškinti glotnu modeliu. Tokiu būdu jie aptiko siaurą, vietinį masės sutankėjimą, kurio padarinys ant lensed lankų buvo sutelktas į siaurą vietą — būtent ši detaliai identifikuota anomalija leido lokalizuoti gniužulą.
Statistinis aptikimo reikšmingumas buvo išskirtinai didelis: maždaug 26 sigma. Praktine prasme tai reiškia, kad tikimybė, jog šis signalas atsirado dėl atsitiktinio triukšmo ar stebėjimo klaidos, yra praktiškai nulinė. Tokio lygio reikšmingumas kelia aukštą pasitikėjimo laipsnį, leidžiantį rimtai svarstyti fizikines priežastis, o ne instrumentines ar analizės klaidas.
What exactly could this ‘‘blob’’ be?
Objekto išvedinė masė yra maždaug milijonas Saulės masių. Tai labai nedaug, palyginti su tipiškomis galaktikomis, tačiau milžiniška, palyginti su atskirais žvaigždžių kūnais. Svarbiausia yra tai, kad ši masė neskleidžia pastebimos šviesos optiniame, radijo ar infraraudonųjų bangų ruože, todėl mokslininkai gali svarstyti dvi pagrindines hipotezes:
- Kompaktiška tamsiosios materijos sankaupa — tankus subhalo be žvaigždžių, suderintas su šaltos tamsiosios materijos (cold dark matter) modelių prognozėmis, kurios numato gausų žemo masės substruktūrų skaičių aplink didesnes galaktikas.
- Labai blanki nykštukinė galaktika, kurios žvaigždžių populiacija yra tokia retai pasiskirsčiusi arba tokia silpna, kad dabartiniai instrumentai jos negali užfiksuoti tiesiogiai.
Atskirti šias galimybes nėra paprasta. Jei tai būtų autentinė tamsiosios materijos subhalė be žvaigždžių, tai būtų tiesioginis patvirtinimas tam tikriems struktūrų formavimosi scenarijams ir tamsiosios materijos savybėms. Jeigu tai blanki nykštukinė galaktika, reikštų, kad egzistuoja labai silpnai šviečiančios žvaigždžių sistemos, kurios išliko nepastebėtos iki tol.
Norint patikimai atskirti šias galimybes, reikės gilesnių stebėjimų įvairiais bangų ruožais, įskaitant gilų optinį ir infraraudinį stebėjimą, taip pat aukštos jautrumo radijo tyrimus. Taip pat būtų naudinga surasti daugiau panašių objektų skirtingose lęšio sistemose, kad būtų galima atlikti statistinę analizę ir nustatyti, ar tokie milijono Saulės masės guzeliai yra plačiai paplitę ar reti.
Jei daug milijono Saulės masės tamsių sankaupų bus aptikta — tai pastiprins šalto tamsiosios materijos modelio prognozes apie gausų mažų subhalų skaičių. Priešingu atveju, jei tokie objektai bus reti, modeliai gali reikėti peržiūrėti: tai gali reikšti, kad tamsioji materija turi savybių, trukdančių formuotis arba išlikti mažoms struktūroms, arba kad baryoninė fizika (pvz., žvaigždžių formavimasis, sužadinimas) efektyviai naikina mažas galaktikas.
Why this detection matters for cosmology
Aptikti milijono Saulės masės objektą pagal jo gravitacinį poveikį milijardų šviesmečių atstumu yra svarbus laimėjimas. Tai išplečia gravitacinio vaizdavimo galimybes į žemesnės masės sritis gerokai už vietinės Visatos ribų ir atveria naują būdą tikrinti tamsiosios materijos smulkaus mastelio struktūrą per kosminį laiką.
Tokio tipo aptikimai leidžia testuoti, ar tamsiosios materijos modeliai, suformuoti remiantis šaltosios tamsiosios materijos paradigmą, išlieka suderinti su realiais stebėjimais mažesniuose masės skalėse. Jie suteikia empirinius duomenis, reikalingus atskirti skirtingas tamsiosios materijos hipotezes — pavyzdžiui, šalta, šilta ar savybių turinti tamsioji materija, kuri galėtų slopinti struktūros formavimąsi mažose skalėse.
Powell ir kolegos pažymi: „Tai žemiausios masės objektas, žinomas mūsų komandai, kuris, dviejų eilučių dydžiu, buvo aptiktas kosmologiniame atstume pagal savo gravitacinį efektą.“ Šis teiginys pabrėžia, kad stebėjimo technikos pasiekė tokią kokybę, jog milijono Saulės masės intervalas tapo prieinamas tyrimams net tolimiausiose galaktikose.
Be to, rezultatas tiesiogiai prisideda prie platesnio vaizdo apie galaktikų formavimąsi. Šaltoji tamsioji materija modeliuoja savitą hierarchiją — didesnes halos, kuriuose įterpti skaitlingi mažesni subhalai. Atrandant arba neatrandant numatomo mažų guzių gausumo, galima patikslinti tiek dalelių fizikos, tiek struktūros formavimosi teorijas.
Šie duomenys taip pat yra svarbūs tarpsritiniam dialogui tarp kosmologijos ir dalelių fizikos: jei pastebėjimai nuosekliai neatitinka šalto tamsiosios materijos prognozių, tai gali reikšti naujas tamsiosios materijos savybes arba poreikį modifikuoti struktūros formavimo modelius, įtraukiant sudėtingesnę baryoninę fiziką.
Next steps: follow-up and surveys
Tyrėjai planuoja iš naujo stebėti JVAS B1938+666 su dar aukštesniu jautrumu ir raiška, taip pat taikyti tas pačias gravitacinio vaizdavimo metodikas kitiems stipriems lęšiams. Didelio ploto, giliai į kosmosą orientuoti tyrimai su naujos kartos instrumentais — tokiais kaip Square Kilometre Array (SKA) radijo diapazone ir Vera C. Rubin Observatory optiniame diapazone — plečia lęšių imtį ir gerina galimybes užfiksuoti daugiau žemo masės perturbuotojų.
Plati ir gili imtis leistų surinkti statistiką, kuri būtina palyginant stebėtą mažų masių struktūrų gausumą su teorinėmis prognozėmis. Jei bus katalogizuota dešimtys ar šimtai panašių guzių, astronomai gaus pakankamą duomenų kiekį, kad aiškiai patikrintų, ar stebima gausumas atitinka šaltosios tamsiosios materijos modelius, ar rodo nukrypimus, kuriuos reikėtų paaiškinti alternatyvia fizika.
Taip pat svarbu plėtoti duomenų analizės priemones: automatizuoti anomalijų paieškos algoritmai, gilus mokymasis (deep learning) ir pažangios statistinės priemonės leis greičiau ir patikimiau identifikuoti potencialiai įdomias perturbanijas lense. Šios priemonės ypač naudingos, kai imtis tampa tokia didelė, kad rankinė analizė tampa neefektyvi.
Galiausiai, tarptautinis bendradarbiavimas ir duomenų dalinimasis bus esminiai — šių objektų aptikimas priklauso ne tik nuo vieno teleskopo, bet nuo įvairių įrankių derinio: radijo, optikos, infraraudonųjų stebėjimų ir teorinių modelių. Kiekvienas papildomas stebėjimas prisideda prie tvirtesnės interpretacijos ir sumažina netikrumus.
Expert Insight
„Milijono Saulės masės tamsiosios materijos guzelio aptikimas tokio atstumo yra kaip rasti akmenėlį kalnų grandinėje, matant tik bangelę, kurią jis sukelia tolimame ežere,“ sako Dr. Lena Ortiz, astrofizikė, tyrinėjanti gravitacinį lenkimą. „Šis atradimas parodo, kad mūsų vaizdavimo priemonės subrendo. Turėdami didesnį lęšių imtį, galėsime pradėti žemėlapiuoti tamsiosios materijos peizažą su realiu detalumu, o tai sugriežtins ribas, ką tamsioji materija iš tikrųjų gali būti.“
Be tiesioginių pasekmių tamsiosios materijos fizikams, atradimas pabrėžia gravitacinio lenkimo galią kaip natūralų teleskopą. Jis iliustruoja, kaip išradinga iškreiptos šviesos analizė gali atskleisti nematomą struktūrą ir nurodyti tolesnius stebėjimus, jungiančius kosmologiją su dalelių fizika.
Trumpai apibendrinant, šis radinys yra technologinių, analizės ir teorinių metodų sandūra: patobulėję instrumentai leidžia užfiksuoti itin silpnus signalus, nauji algoritmai atskirti tikras anomalijas nuo triukšmo, o fizikiniai modeliai suteikia kontekstą, leidžiantį interpretuoti rezultatus. Visi šie elementai kartu stumia mūsų supratimą apie Visatos smulkias struktūras į priekį.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą