Международная группа исследователей из Алабамского университета в США сообщила об обнаружении крупного локализованного скопления темной материи, расположенного в непосредственной близости от Солнечной системы.
Невидимый и пугающий сосед: рядом с Солнечной системой обнаружено облако темной материи массой в 60 миллионов Солнц
Астрофизики впервые локализовали массивное субгало темной материи в нашей части Галактики, используя пульсары в качестве детекторов гравитации.
Unsplash
В работе, опубликованной в научном журнале Physical Review Letters, приводятся данные о существовании массивного субгало, которое находится на расстоянии от 1300 до 3000 световых лет от Земли.
Открытие стало возможным благодаря использованию пульсаров в качестве сверхточных космических инструментов для измерения гравитационных аномалий в Млечном Пути.
Согласно стандартной космологической модели, наша Галактика не является гравитационно однородной. Гало Млечного Пути должно быть заполнено тысячами мелких сгустков темной материи — субгало, оставшихся со времен формирования Вселенной. Темная материя не испускает и не поглощает свет, поэтому она остается невидимой для традиционных телескопов.
Ранее ученые пытались обнаружить такие структуры косвенно, через анализ искажений в звездных потоках на окраинах Галактики, однако локализовать конкретный массивный объект внутри Млечного Пути долгое время не удавалось из-за отсутствия подходящих измерительных приборов.
Решение задачи было найдено в использовании миллисекундных пульсаров — нейтронных звезд, обладающих исключительно стабильным периодом вращения. Сигналы от этих объектов приходят на Землю с точностью, сопоставимой с атомными часами. Если пульсар движется равномерно, его импульсы фиксируются через равные промежутки времени.
Однако при наличии рядом массивного скрытого объекта его гравитация придает пульсару дополнительное ускорение. Это меняет лучевую скорость звезды, что из-за эффекта Доплера вызывает микроскопические сдвиги в частоте радиоволн.
Таким образом, сеть пульсаров превратилась в глобальную систему датчиков, способных регистрировать мгновенные значения гравитационного ускорения.
Исследовательская группа проанализировала данные тайминга 27 двойных пульсаров, для которых возможно точное вычисление галактического ускорения. В ходе анализа систем PSR J1640+2224 и PSR J1713+0747 было выявлено аномальное отклонение. Эти объекты продемонстрировали синхронное избыточное ускорение, которое указывает на наличие внешней силы, локализованной в данном регионе пространства.
«В этой области неба некий массивный источник тянет пульсары в направлении, которое невозможно объяснить существующими моделями распределения звезд и газа», — отметил профессор Филип Чанг из Висконсинского университета в Милуоки.
Параметры обнаруженного объекта указывают на его колоссальный масштаб. Масса субгало оценивается в диапазоне от 20 до 60 миллионов масс Солнца, что сопоставимо с массой небольшой карликовой галактики. Несмотря на такую массу, объект остается очень компактным для космических масштабов: он сосредоточен в области с радиусом менее 0,1 килопарсека (около 326 световых лет).
Тот факт, что в этой области не наблюдается свечения звезд или скоплений газа, характерных для обычных спутников Галактики, стал основным аргументом в пользу того, что объект состоит из темной материи.
Для окончательного исключения влияния обычной материи ученые провели детальный перекрестный анализ данных с картами космического телескопа Gaia, который фиксирует положение и движение миллиардов звезд. Также были учтены данные о распределении атомарного и молекулярного водорода в диске Млечного Пути.
Расчеты подтвердили, что вся совокупность видимых звезд и газа в этом секторе способна обеспечить лишь около 0,6 нанометра на секунду в квадрате гравитационного ускорения. В то же время зафиксированная по сигналам пульсаров величина составила около 1 нанометра на секунду в квадрате. Это означает, что почти половина наблюдаемой гравитационной тяги создается невидимым веществом.
Обнаруженное субгало позволяет ученым приступить к изучению природы темной материи на основе конкретных локальных объектов.
Ранее существование таких сгустков было предметом споров из-за так называемой «проблемы недостающих спутников»: теоретические модели предсказывали тысячи темных объектов, но наблюдения их не подтверждали. Теперь исследователи планируют нанести на карту как можно больше подобных субгало по всей Галактике.
Ограничения, наложенные в ходе работы, уже показали, что в радиусе нескольких килопарсек от Солнца отсутствуют другие субгало тяжелее 100 миллионов солнечных масс. Дальнейшие измерения помогут определить внутреннее строение этих объектов, что напрямую укажет на физические свойства частиц темной материи.