4.
Слабое линзирование позволяет оценить количество гравитирующей массы – в том числе и массы темной материи – в заданной области пространства. Дело в том, что расположенная на луче зрения масса слегка увеличивает и растягивает изображения слабых далеких галактик, и по величине этих искажений можно судить о вызывающей гравитационное линзирование массе. Правда, это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Даже в отсутствие всякого линзирования форма у галактик вытянутая, потому что они, как правило, реально уплощенные, а мы не всегда видим их плашмя. Поэтому по наблюдениям одной галактики невозможно понять, в какой степени сплюснутость ее изображения вызвана слабым линзированием. Астрономы исследуют изображения как можно большего количества далеких галактик, стараясь найти небольшие отклонения от ожидаемого случайного распределения сплюснутости.
Идея состоит в следующем. Сначала надо пронаблюдать сотни (или тысячи, или даже миллионы) слабых далеких галактик. Потом проверить наличие отклонений от случайного распределения ориентаций. На основе этих отклонений построить карту распределения величины слабого линзирования, которое стало причиной этих малых искажений. Потом вывести из полученного распределения распределение массы в переднем фоне. И вуаля! Мы получили карту распределения массы в части Вселенной. А поскольку большая часть гравитирующей массы Вселенной имеет вид темной материи, полученная карта в основном отражает распределение именно темной материи вдоль луча зрения – первыми такую карту в 1984 году построили (правда, с довольно малой точностью) Энтони Тайсон с коллегами из Лабораторий Белла5.
Максим Маркевич из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики особенно не задумывался о темной материи и картах распределения массы, когда в октябре 2000 года приступил к наблюдениям расположенного в созвездии Киля далекого скопления галактик Пуля с помощью только что запущенной рентгеновской обсерватории «Чандра». Но благодаря сочетанию с наблюдениями гравитационного линзирования это исследование позволило получить новые данные о темной материи.
Скопление 1E0657–558 (скопление Пуля) было одним из известных ярких рентгеновских источников, из чего следовало наличие в нем большого количества очень горячего газа. К тому же ранее в ходе наблюдений было уже установлено, что скопление состоит из двух отдельных подскоплений, возможно, находящихся в процессе слияния. Это уже было достаточным основанием для проведения более подробных наблюдений с помощью нового рентгеновского космического телескопа НАСА. И действительно, полученное спутником «Чандра» изображение, которое было опубликовано в 2002 году, превзошло все ожидания. На нем было хорошо видно, что излучающий в рентгеновском диапазоне горячий газ не окружает крупнейшие конгломераты галактик, как это обычно бывает в скоплениях. Наоборот, газ концентрируется в области между двумя подскоплениями. К тому же на этом изображении обнаруживается то, что Маркевич с коллегами назвали «хрестоматийным примером головной ударной волны»6 Эта головная ударная волна распространяется впереди напоминающего пулю газового облака, которому скопление обязано своим неформальным названием.
Объяснение напрашивалось само собой. По-видимому, произошло почти лобовое столкновение двух менее крупных скоплений, движущихся относительно друг друга со скоростью более 4000 км/с. Столкновение мало сказалось на отдельных галактиках двух скоплений: сами скопления затормозились под действием тяготения, но составляющие их галактики, расстояния между которыми обычно составляли несколько миллионов световых лет, беспрепятственно прошли друг сквозь друга, подобно летящим в разных направлениях пчелам двух неплотных роев. Но межгалактическое пространство в каждом из скоплений было заполнено огромным количеством горячего разреженного газа, и, по-видимому, эти два газовых облака столкнулись, о чем свидетельствует «пулеобразная» головная ударная волна. Из-за возникшего в результате лобового давления газ оказался выметен из двух скоплений и скопился в пространстве между ними.
Ну хорошо. А что же с невидимой темной материей, которая, как предполагалось, имелась в каждом из двух сталкивающихся скоплений? Сосредоточенная в двух скоплениях темная материя тоже столкнулась, подобно частицам барионного газа? Если так, то следовало ожидать аналогичного выметания и перемещения темной материи в область между двумя скоплениями. А что, если частицы темной материи «бесстолкновительны»? Что, если они почти не замечают друг друга, подобно отдельным галактикам двух скоплений или пролетающим мимо друг друга пчелам из двух роев? В этом случае (ожидаемом большинством теоретиков) темная материя продолжит движение вместе с двумя сгущениями галактик, даже если два расположенных между скоплениями облака газа пойдут своим путем.
Маркевич с коллегами поняли, что скопление Пуля представляет собой идеальный полигон для исследования свойств темной материи. По их словам, «мы имеем явно выраженное несовпадение центроидов галактик подскоплений и газа… Если измерить местоположение пика плотности темной материи подскопления (например, по данным слабого линзирования…), то можно определить, является ли темная материя бесстолкновительной подобно галактикам или на нее действует что-то вроде лобового давления, как это имеет место в случае газа».
К сожалению, Маркевич не очень разбирался в слабом линзировании. Для большинства астрономов этот метод был чем-то вроде магии. Но на конференции по скоплениям галактик, которая проводилась на Тайване в 2002 году, он встретил постдока из Боннского университета Дугласа Клоу7. Клоу в то время был одним из примерно десятка специалистов по слабому линзированию. А не будет ли ему интересно рассчитать распределение массы в скоплении Пуля? Разумеется, Клоу воспользовался такой возможностью.
Для убедительного анализа слабого линзирования нужно получить точные данные о форме хотя бы нескольких сотен слабых галактик дальнего фона. Это возможно только при наличии снимка с высоким разрешением, полученного с помощью большого оптического телескопа. Клоу сообразил, что подача заявки на наблюдательное время на 8-метровом телескопе потребует много времени и усилий, и поэтому решил поискать уже имеющиеся изображения скопления в астрономических архивах. Вот так он и наткнулся на снимок скопления, полученный в ходе пробных наблюдений на первом телескопе комплекса «Очень большого телескопа» Европейской южной обсерватории. Это тот самый снимок, который я видел на докладе Росер Пельо на симпозиуме в Антофагасте в марте 1999 года, посвященном открытию «Очень большого телескопа».
Выполненный Клоу тщательный анализ изображения на предмет слабого линзирования не оставил никаких сомнений по поводу природы темной материи. На карте распределения плотности 1E0657–558 видны два четких пика, совпадающие с двумя подскоплениями. Стало очевидно, что большая часть гравитирующей массы – темная материя – продолжает концентрироваться вокруг галактик скопления, а это означает, что таинственная субстанция действительно бесстолкновительна. Замечательно – темная материя ведет себя так, как и ожидалось от небарионных частиц вроде вимпов.
Но это еще не все. Где-то около 2001 года Клоу оказался на докладе Стейси Макгога о модифицированной ньютоновской динамике. Еще когда он занимался слабым линзированием, Клоу понял, что скопление Пуля может сыграть ключевую роль в опровержении модифицированной ньютоновской динамики. Если, как утверждает эта теория, никакой таинственной материи во Вселенной не существует, то все, что есть, – это галактики и содержащийся в скоплении газ. А поскольку полная масса горячего газа, излучающего в рентгеновском диапазоне, превышает суммарную массу видимых галактик, то полученный по данным слабого линзирования пик плотности должен совпадать с положением газа, а не галактик.
В статье, опубликованной в апреле 2004 года в The Astrophysical Journal, Клоу, Маркевич и Энтони Гонсалес из Флоридского университета решительно заявили, что реконструированное ими распределение массы в скоплении Пуля представляет собой прямое доказательство существования темной материи8. Даже если теория модифицированной ньютоновской динамики и верна, все равно для объяснения результатов наблюдений требуется наличие значительного количества небарионной темной материи. Вывод авторов таков: «Хотя эти наблюдения и не могут служить опровержением модифицировнной ньютоновской динамики… они устранили основную мотивацию ее создания – желание обойтись без темной материи».
Результат гораздо более подробного исследования, опубликованного в 2006 году, оказался таким же9. На этот раз Клоу с коллегами использовали новые наблюдения скопления, выполненные в 2004 году на 6,5-метровом телескопе обсерватории Лас-Кампанас в Чили и с помощью Усовершенствованной камеры для съемки (Advanced Camera for Surveys) космического телескопа «Хаббл». Благодаря намного более высокому качеству новых данных статистическая значимость полученного на их основе результата оказалась в три раза выше прежней.
Горячий межгалактический газ, излучающий в рентгеновском диапазоне (диффузное свечение), сосредоточен в области пространства между двумя сталкивающимися подскоплениями галактик, образующими скопление Пуля, а темная материя (изолинии, проведенные на основании данных наблюдений слабого линзирования) продолжает «кучковаться» вокруг галактик скопления
Выполненные на телескопе «Хаббл» наблюдения и их следствия привлекли гораздо больше внимания, чем исходная публикация 2004 года. В выпущенном в августе 2006 года пресс-релизе НАСА приводится следующая цитата из Клоу: «Эти результаты представляют собой прямое доказательство существования темной материи»10. И в том же самом пресс-релизе утверждается, без прямого упоминания модифицированной ньютоновской динамики, что основанный на анализе слабого линзирования результат «придает ученым дополнительную уверенность в том, что обычное ньютоновское тяготение, с которым мы имеем дело на Земле и в Солнечной системе, также работает и на огромных масштабах скоплений галактик». В газетах и научно-популярных журналах появились изображения цветного коллажа снимков рентгеновского спутника «Чандра» и телескопа «Хаббл», сопровождаемые восторженным рассказом о полученном впечатляющем результате. Целых несколько десятилетий мы полагали, что Вселенной управляет темная материя, а теперь у нас есть для этого неопровержимое доказательство.