Наблюдаемое количество гравитационных линз на порядок превысило прогноз симуляций ( 2 фото )

Изображение центрального региона галактического кластера MACSJ1206, составленное из снимков космического телескопа «Хаббл». Прямоугольниками выделены три локальных события сильного линзирования, обусловленного маломасштабными структурами

Massimo Meneghetti et al. / Science, 2020

Физики оценили число маломасштабных событий гравитационного линзирования в галактических скоплениях на основе наблюдений, а затем сравнили его с результатом компьютерных симуляций. Оказалось, что моделирование прогнозирует на порядок меньшее количество таких объектов — результат может ставить под сомнения общепринятые представления о свойствах темной материи или говорить об упущенных систематических ошибках в симуляциях. Статья опубликована в журнале Science.

В соответствии с Общей теорией относительности — наиболее успешной (в смысле описания экспериментальных данных) на сегодняшний день теорией гравитации — присутствие массивного объекта искажает пространство-время в его окрестностях. Благодаря этому достаточно тяжелые тела (в частности, галактики и их скопления), которые оказались на пути распространения электромагнитного излучения, способны заметно изменять его направление, изгибая лучи вокруг себя. Такой эффект принято называть сильным гравитационным линзированием, а сами тела — гравитационными линзами.

Наблюдатель, для которого источник света загораживает гравитационная линза, в общем случае будет наблюдать его размноженные искривленные изображения — их форма, количество и положение будут определяться не только положением фонового источника относительно линзы и наблюдателя, но и распределением массы в самой линзе. Благодаря этому события гравитационного линзирования помогают ученым в обнаружении и исследовании массивных структур — в том числе, образований из недоступной для прямого наблюдения в электромагнитном излучении темной материи.

Физики из Дании, Италии, Нидерландов и США под руководством Массимо Менегетти (Massimo Meneghetti) из Национального института астрофизики Италии рассмотрели один из возможных видов сильного гравитационного линзирования — случаи, когда в роли фонового источника и линзы выступают удаленные галактики, причем галактика-линза входит в состав скопления галактик — то есть представляет собой маломасштабную линзу (с разделением частей изображения порядка угловых секунд) на фоне гораздо более крупной (с разделением в десятки угловых секунд).

Ученые обратились к наблюдениям 11 галактических скоплений в диапазоне красных смещений 0,234–0,587, изображения которых в 2010–2016 годах получал космический телескоп «Хаббл» в ходе программ CLASH (Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble) и HFF (Hubble Frontier Fields). Кроме того, исследователи использовали данные спектроскопии наземного комплекса VLT (Very Large Telescope) — это позволило детальнее установить распределение массы внутри скопления (на основе характера движения звезд).

На основе этого набора данных физики вычисляли, какую долю суммарная угловая площадь маломасштабных гравитационных линз составляет от полной угловой площади характерного региона, внутри которого фоновые источники подвергаются сильному линзированию. С помощью этого числа авторы оценивали вероятность обнаружить событие маломасштабного линзирования на данном красном смещении и, как следствие, — вычисляли предполагаемое число видимых событий в одном кластере, полагая известным количество линзируемых фоновых галактик (на основе данных Hubble Ultra-Deep Field — набора наблюдений далеких галактик «Хабблом»).

Ту же вероятность обнаружить маломасштабное линзирование исследователи вычисляли из чисто теоретических соображений. Ученые моделировали галактические кластеры тех же масс и размеров, что участвовали в наблюдательной выборке, при помощи гидродинамических симуляций на основе современной стандартной космологической модели с учетом охлаждения газа, звездообразования и энергетического вклада от сверхновых и аккрецирующих сверхмассивных черных дыр.


Вероятности маломасштабного гравитационного линзирования в зависимости от красного смещения, построенные на основе трех выборок из наблюдений (верхние кривые) и компьютерных симуляций (нижняя кривая). Цветные области отвечают доверительным интервалам с уровнем достоверности 99,9 процента. Экспериментальные значения на порядок превышают теоретические прогнозы.

Massimo Meneghetti et al. / Science, 2020

В результате ученые установили, что теоретические прогнозы вероятности маломасштабного гравитационного линзирования имеют отклонение от эксперимента примерно на порядок — фактически мы видим гораздо больше событий, чем предсказывают симуляции.

Такое расхождение не удалось компенсировать даже при исключении из симуляций обратной связи от сверхмассивных черных дыр, которая подавляет звездообразование и, делая внутреннее распределение массы более плавным, ослабляет гравитационные линзы. Экспериментальные расчеты при этом оказались самосогласованными — так, для кластера MACSJ1206 ожидаемое число событий составило порядка трех, что совпало с наблюдаемым количеством.

Проблема, таким образом, относится именно к теоретическим вычислениям. Авторы полагают, что причиной расхождения с наблюдениями могли послужить как методические ошибки в самой процедуре численного моделирования, так и некорректные исходные предположения космологической модели, касающиеся свойств темной материи и ее взаимодействия с обычным веществом.

Гравитационные линзы дают возможность исследовать не только строение самих себя, но и фоновые объекты. За последние годы мы рассказывали о том, как одна такая линза позволила увидеть сразу четыре момента жизни одной сверхновой, а другая — помогла рентгеновским наблюдениям галактики из молодой Вселенной.

Николай Мартыненко