Автор: Астрономи, використовуючи космічний телескоп «Джеймс Вебб» (JWST), створили найточнішу на сьогодні карту розподілу маси в так званому Скупченні Кулі — одній із ключових космічних систем для дослідження темної матерії. Нові спостереження дозволили значно зменшити невизначеність у вимірюваннях і жорсткіше обмежити можливі властивості цієї загадкової субстанції.
Скупчення Кулі (1E 0657–56) розташоване на червоному зміщенні z = 0,296 і є результатом зіткнення двох масивних скупчень галактик. Його особливість у тому, що гарячий газ, який добре видно в рентгенівському діапазоні, просторово відділений від основної маси системи, відновленої за допомогою гравітаційного лінзування. Саме це розходження давно стало одним із найпереконливіших спостережних доказів існування темної матерії.
Раніше моделі Скупчення Кулі базувалися лише на шести надійно підтверджених системах множинних зображень далеких галактик. Такої кількості було недостатньо для створення високоточної карти гравітаційного потенціалу. Ситуація змінилася після запуску JWST.
Завдяки інфрачервоним спостереженням камерою NIRCam у восьми фільтрах і спектроскопії NIRSpec астрономи виявили вже 135 надійних лінзованих зображень, сформованих 27 віддаленими галактиками. Усі ці об’єкти увійшли до каталогу Gold, що складається виключно зі спектроскопічно підтверджених джерел. Такий підхід дозволив практично усунути помилки, пов’язані з неправильною ідентифікацією.
Діапазон червоних зміщень фонових галактик — від z = 0,9 до 6,7 — дав змогу фактично «просканувати» гравітаційне поле скупчення на різних відстанях від центру та використати його як інструмент перевірки космологічних моделей.
Під час реконструкції маси в модель включили великі гало темної матерії, індивідуальні гало галактик скупчення, а також розподіл гарячого газу за даними рентгенівської обсерваторії «Чандра». Додатково врахували сім зовнішніх груп галактик уздовж основних напрямків структури. Це дозволило відмовитися від спрощених припущень і зробити модель фізично точнішою.
Аналіз показав складну двопікову структуру системи: субкластер «Кулі» оточений компактним гало темної матерії. Одним із найважливіших результатів стало уточнення положення центру маси відносно найяскравішої галактики субкластера. Невизначеність цього зміщення вдалося зменшити приблизно втричі — до близько 4 (+4/–2) кілопарсеків.
Такі точні вимірювання дозволили суттєво посилити обмеження щодо самодії темної матерії. Якщо раніше верхня межа оцінювалася як менше 1,25 см²/г, то тепер нові дані вказують на значення нижче 0,2 см²/г. Відсутність помітного зміщення між зоряною складовою та темною матерією під час високошвидкісного зіткнення добре узгоджується зі стандартною моделлю холодної темної матерії.
Спектроскопічні вимірювання також допомогли розв’язати проблему так званого «виродження маса — червоне зміщення», яка тривалий час обмежувала точність подібних досліджень. Чітке визначення відстаней до фонових галактик дозволило розділити вплив маси лінзи та віддаленості джерел.
Порівняння з попередніми роботами показало добру узгодженість профілів маси на масштабах близько 60 кілопарсеків, попри різні методики моделювання. Це ще раз підтверджує надійність гравітаційного лінзування як інструмента для «зважування» найбільших структур у Всесвіті.
Отримана карта розподілу маси наразі вважається найточнішою для Скупчення Кулі. Вона не лише уточнює властивості темної матерії, а й стане корисною для пошуку надзвичайно далеких галактик, включно з об’єктами епохи формування перших зоряних систем із червоними зміщеннями до приблизно z ≈ 11.
Таким чином, Скупчення Кулі залишається своєрідною космічною лабораторією, де поєднуються дослідження фізики елементарних частинок і спостережної космології, а нові дані телескопа «Джеймс Вебб» виводять точність таких досліджень на якісно новий рівень.
