Камера для изучения темной энергии исследует скопление Кома, вдохновившее теорию темной материи

Камера Dark Energy Camera получила изображение ослепительного скопления Кома, названного в честь волос египетской королевы Береники II. Это скопление галактик не только имеет важное значение в греческой мифологии, но и стало основополагающим для открытия существования темной материи.

Теория возникла в 1937 году, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики Скопления Комы ведут себя так, словно находятся под воздействием огромного количества ненаблюдаемой «темной» материи.

Это густонаселенное изображение демонстрирует огромное скопление не отдельных звезд, а целых галактик, известное как Скопление Комы. Скопление Кома названо в честь созвездия, в котором оно находится, — Кома Береники. Это единственное из 88 созвездий IAU, названное в честь исторической личности. Его тезка — египетская королева Береника II, точнее, ее волосы: в переводе с латинского «coma» означает «волосы на голове».

Береника, как известно, отрезала свои волосы и преподнесла их в качестве подношения богам, когда ее муж благополучно вернулся с войны. Волосы были помещены в храм, но вскоре пропали. Придворный астроном Конон Самосский утверждал, что обнаружил пропавшие локоны Береники в довольно маловероятном месте — на ночном небе, предположив, что богиня Афродита катастеризовала (буквально превратила в созвездие) локоны королевы. Все это произошло около 245 года до нашей эры, а значит, волосы Береники пользовались небесным признанием необычайно долгое время.

Данные, использованные для создания этой детальной картины, были собраны камерой Dark Energy Camera (DECam), созданной Министерством энергетики США, которая установлена на 4-метровом телескопе Víctor M. Blanco Национального научного фонда США в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо, входящей в программу NSF NOIRLab.

570-мегапиксельная камера была создана для проведения исследования темной энергии (DES) — удивительного цикла наблюдений продолжительностью 758 ночей в период с 2013 по 2019 год. DES проводился с целью лучше понять природу темной энергии — неизвестной сущности, вызывающей ускоренное расширение нашей Вселенной.

Скопление Кома тесно связано с не менее загадочным аналогом темной энергии — темной материей. Почти век назад, в 1937 году, швейцарский астроном Фриц Цвикки наблюдал несколько галактик в скоплении Кома. Он рассчитал приблизительную массу скопления, основываясь на его светящихся — то есть наблюдаемых — структурах.

Но он столкнулся с чем-то странным: казалось, что скоплению не хватает массы. На самом деле галактики внутри скопления вели себя так, будто в скоплении содержится в 400 раз больше массы, чем предполагалось по его расчетам.

Цвикки пришел к такому выводу, наблюдая за тем, как быстро двигались галактики в скоплении. Чтобы объяснить это дальше, полезно кратко вернуться к ключевому моменту о природе гравитации. Гравитация — это одно из четырех известных фундаментальных взаимодействий, которые существуют между всеми объектами, обладающими энергией или массой. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение. Поэтому менее массивные объекты, находящиеся на определенном расстоянии от более массивного объекта, будут неудержимо тянуться к нему.

Однако есть еще один фактор, который необходимо учитывать: скорость. Если объект движется достаточно быстро, он может избежать гравитационного притяжения других объектов. Именно этот принцип позволил Цвикки сделать вывод о том, что в скоплении Кома, по-видимому, «отсутствует» материя.

Он обнаружил, что галактики движутся так быстро, что они должны были бы покинуть скопление, если бы оно удерживалось вместе только наблюдаемой массой. Это заставило его предположить, что скопление должно удерживаться вместе огромным количеством ненаблюдаемой «темной» материи, хотя это предположение казалось надуманным большей части астрономического сообщества.

Большинство астрономов были убеждены в существовании темной материи лишь в 1980-х годах. Консенсус сдвинулся с мертвой точки, когда появилось несколько исследований, в которых сообщалось о том же любопытном несоответствии массы, которое наблюдал Цвикки, но в масштабах отдельных галактик, а не целых скоплений галактик.

Одно из таких исследований было проведено в 1970 году американскими астрономами Кентом Фордом и Верой К. Рубин, которые нашли доказательства существования невидимой материи в галактике Андромеды. А в 1979 году астрономы Сандра Фабер и Джон Галлахер провели тщательный анализ отношения массы к свету для более чем 50 спиральных и эллиптических галактик, в результате чего пришли к выводу, что «доводы в пользу существования невидимой массы во Вселенной очень сильны и становятся все более убедительными».

Существование темной материи и темной энергии сегодня широко признано, и понимание их неуловимой природы является одним из основных направлений современной астрофизики. Более глубокое понимание может появиться на горизонте благодаря предстоящему 10-летнему проекту Legacy Survey of Space and Time, который будет проводиться обсерваторией NSF-DOE Vera C. Rubin, названной в честь вдохновляющей женщины-астронома, которая помогла показать миру, что во Вселенной есть гораздо больше, чем кажется на первый взгляд.