Рядък кръст на Айнщайн с централно изображение разкрива скрита тъмна материя

Международен екип астрономи е наблюдавал галактика от ранната Вселена, която е визуално увеличена и размножена от гравитационна леща в рядката форма на "Кръст на Айнщайн".  Петият централен образ изненадва изследователите, тъй като не може да бъде обяснен само с видима материя.

Използвайки наблюдения от 3 големи наземни радиотелескопа (NOEMA, ALMA, VLA) и космическата обсерватория "Хъбъл", изследователите показват, че конфигурацията на тези пет изображения може да се обясни само с наличието на масивен ореол от тъмна материя, свързан с групата галактики на преден план, която действа като гравитационна леща, увеличавайки сигнала от източника. Това откритие предоставя уникална лаборатория за изследване на тъмната материя и за по-добро разбиране на еволюцията на галактиките в ранната Вселена. Констатациите вече са публикувани в Astrophysical Journal.

Силно гравитационно лещиране възниква, когато светлина от далечна галактика преминава покрай масивна галактика (или група галактики), която изкривява пространство-времето. Това кара пътя на светлината на фоновия източник да се огъва, правейки го да изглежда по-ярък и създавайки множество изображения, дъги или пръстен. Полученото усилване позволява изучаването на галактики в ранната Вселена с големи подробности.

Масата на галактиките на преден план с ореола от тъмна материя пречупва светлината от HerS-3, действайки като гравитационна леща. В резултат на това наблюдателят вижда увеличено и изкривено изображение на HerS-3. Кредит: N. Lira, Cox et al. - ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / NOEMA

Такива системи са и мощни астрофизични лаборатории за определянето на границаите на свойствата на тъмната материя в галактики и галактически клъстери. Съвременните теории предполагат, че тъмната материя, която представлява около 80% от масата на Вселената, е съставена от все още неидентифицирани частици, които не взаимодействат с видимата светлина. Поради голямата си маса обаче, тъмната материя може да бъде идентифицирана чрез гравитационното си влияние.

Когато радиотелескопът NOEMA наблюдава галактиката HerS-3, която е на 11,6 милиарда светлинни години разстояние, тя изглежда умножена на пет изображения, създавайки почти перфектен кръст. И петте изображения съвпадат в различни молекулярни емисионни линии, което недвусмислено показва, че споделят едно и също разстояние и следователно са линдзирани (преминали през гравитационна леща) изображения на HerS-3. Този поразителен ефект, наречен кръст на Айнщайн, е рядко явление и в този случай е още по-необикновено поради наличието на ярко пето изображение в центъра на кръста.

Наблюденията с десет пъти по-висока ъглова резолюция, направени с помощта на ALMA, разкриват подробна морфология на всяко изображение. Данните от NOEMA и ALMA са допълнени с данните от изображенията от VLA, проследяващи радиовълните. Забележителната конфигурация на лещите на HerS-3 представлява първото откритие на кръст на Айнщайн при субмилиметрови и радио- дължини на вълните.

Светлината от HerS-3 се пречупва от четири масивни галактики на преден план, които са в ядрото на по-голяма група, съдържаща поне още десет галактики, разположени на 7,8 милиарда светлинни години от Земята и които са идентифицирани в близката инфрачервена област с помощта на космическият телескоп Хъбъл.

Фигура: Левият панел показва галактиката HerS-3, която е гравитационно линдзирана в кръст на Айнщайн с ярко пето централно изображение, наблюдавано с NOEMA в милиметровия континуум (жълти контури), наложено върху изображението в близката инфрачервена област от HST, идентифицирайки четирите галактики (G1 до G4) от групата галактики, съставящи гравитационната леща. Жълтата звезда показва позицията на ореола от тъмна материя (DM), свързан с групата. Десният панел показва подробната морфология на всяко от петте изображения на кръста на Айнщайн, разкрити от ALMA. Кредит: Cox et al. 2025

За да се възстановят присъщите свойства на далечната галактика HerS-3 и да се изследват характеристиките на предната група лещи, е приложен усъвършенстван модел на гравитационни лещи, който симулира как гравитацията огъва светлината на галактиките. Вземайки предвид само четирите видими масивни галактики, които са близо до HerS-3 и са разположени в центъра на групата галактики, моделите на гравитационни лещи не успяват да възпроизведат точното разположение на петте изображения на кръста на Айнщайн.

Фактът, че няма друга видима галактика на същото разстояние в близкото поле около групата галактики, открива възможността за голям, невидим компонент: концентрация на тъмна материя, свързана с групата галактики. Само чрез добавяне на този масивен компонент, който е локализиран да лежи в центъра на масата на групата, реконструкцията на източника съвпада точно със свойствата на петте изображения. Очакваната маса на ореола от тъмна материя възлиза на няколко трилиона слънчеви маси.

Системата HerS-3 с нейния изключителен пети централен образ - кръст на Айнщайн, е уникална астрофизична лаборатория, създадена от самата Вселена. Тя позволява на астрономите да изследват сложната структура на галактиката по време на най-активната фаза на космическата еволюция, като същевременно разкрива наличието на тъмна материя - скритата маса, която оформя галактиките и извайва Вселената. Изучаването на подобни системи може да ни доближи до разкриването на свойствата на тъмната материя и да разберем как тя е повлияла на най-ранните етапи на космическата еволюция.

Справка:  P. Cox et al, HerS-3: An Exceptional Einstein Cross Reveals a Massive Dark Matter Halo, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adf204

Източник: An Exceptional Einstein Cross Reveals Hidden Dark Matter, IRAM

Още по темата

20/06/2023

Космос

Една и съща свръхнова се вижда 4 пъти благодарение на гравитационна леща

15/05/2023

Космос

Скоростта на разширяване на Вселената е измерена със свръхнова през гравитационна леща

13/01/2020

Космос

Малки клъстери тъмна материя доказват, че загадъчната субстанция е по-скоро студена

09/04/2015

Космос

Айнщайнов пръстен от млада галактика