Обычная (барионная) материя составляет лишь около одной шестой всей материи во Вселенной. Остальное приходится на тёмную материю, которая не излучает и не поглощает свет, но формирует гравитационный «каркас» Вселенной, определяя, где и как возникают галактики и их скопления. Несмотря на её ключевую роль, тёмная материя остаётся невидимой напрямую, а её распределение на сегодняшний день можно изучать только косвенными методами.

Наиболее прямым из них считается слабое гравитационное линзирование — эффект, при котором свет далёких галактик искажается под действием гравитации всей материи на пути к наблюдателю. Эти искажения крайне малы и чтобы выделить этот слабый сигнал на фоне случайных ориентаций, учёным приходится усреднять формы десятков и сотен объектов. В новом исследовании астрономы использовали данные обзора COSMOS-Web, полученные с помощью камеры NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб» в инфракрасных фильтрах, охватив область площадью 0,54 квадратного градуса.

Формы 129 галактик на квадратную угловую минуту были измерены и обработаны с помощью метода многомасштабной фильтрации MRLens, позволяющего восстановить карту так называемой сходимости линзирования — величины, пропорциональной проецированной плотности массы.

Изображение, содержащее почти 800 000 галактик, полученное с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», с наложенными на него скоплениями тёмной материи, показанными синим цветом. Источник: NASA / STScI / J. DePasquale / A. Pagan

Ранее подобные карты строились с помощью наземных телескопов и «Хаббла» (HST), однако их возможности ограничены. Атмосфера размывает изображения, получаемые телескопами с поверхности Земли, а «Хаббл» фиксировал в среднем около 71 галактики на квадратную угловую минуту. В результате формы объектов удавалось измерять с недостаточной точностью, особенно на больших расстояниях. «Джеймс Уэбб» почти вдвое превзошёл эти показатели и позволил достичь углового разрешения карты масс 1,00 ± 0,01 угловой минуты — более чем в два раза лучше, чем у предыдущих карт на основе данных HST.

Повышенная чувствительность телескопа особенно важна для наблюдений на больших красных смещениях. Пик функции эффективности линзирования для JWST достигается при z = 0,38, тогда как для «Хаббла» — при z = 0,34, а для наземного обзора HSC — при z = 0,30. Медианное красное смещение галактик в выборке JWST составляет ≈ 1,15, а чувствительность к структурам вдвое выше, чем у HST, и на порядок выше, чем у лучших наземных проектов. Это позволило впервые получить детальную картину распределения массы на промежуточных и малых масштабах.

Карта распределения материи по данным JWST и HST. Совмещённая карта слабого гравитационного линзирования показывает сходимость — показатель плотности массы. Красный квадрат — область наблюдений JWST, окружающая зона — данные «Хаббла». Контуры отражают распределение тёмной материи. Зелёные треугольники — скопления, впервые обнаруженные JWST, оранжевые кресты — объекты, совпадающие с рентгеновскими источниками по данным миссий XMM-Newton и Chandra. Белые контуры наложены на карты рентгеновского излучения горячего газа и плотности галактик, демонстрируя совпадение тёмной и видимой материи. Источник: Scognamiglio, D., Leroy, G., Harvey, D. et al.

Анализ карты выявил сеть протяжённых слабых структур, соединяющих массивные скопления галактик. Эти образования интерпретируются как филаменты тёмной материи — нити «космической паутины», предсказанные стандартной моделью ΛCDM. Если прежние карты лишь намекали на их существование, то данные JWST впервые показали их с высокой чёткостью и достоверностью. Надёжность результата подтверждается тем, что все 15 ранее известных скоплений, обнаруженных по рентгеновскому излучению обсерваториями XMM-Newton и Chandra, были восстановлены на новой карте с отношением сигнал/шум выше 3, тогда как на карте «Хаббла» удалось уверенно выявить лишь 8.

Кроме того, учёные обнаружили сильное совпадение между разными «следами» космической структуры. Пики на карте линзирования, отражающие суммарную массу, совпадают с областями интенсивного рентгеновского излучения горячего газа и с зонами повышенной плотности галактик. Это показывает, что тёмная и обычная материя действительно распределены согласованно, формируя единый каркас Вселенной. Новые данные впервые позволяют проследить не только крупные узлы этой структуры, но и тонкие диффузные нити, связывающие их между собой.

Благодаря высокой чувствительности телескопа были зафиксированы и более далёкие объекты. В частности, выявлены пики массы, связанные с рентгеновскими источниками при z > 0,9. Карта позволяет отслеживать распределение материи вплоть до z ≈ 2, а самая удалённая уверенно идентифицированная структура находится примерно на z ≈ 1,1. Это открывает возможность изучать окружение галактик в эпоху «космического полудня» — периода 1 ? z ? 2, когда темпы звездообразования во Вселенной были максимальными.

Авторы подчёркивают, что полученная карта устанавливает новый стандарт для проверки космологических моделей. Она даёт прямые ограничения на рост гало тёмной материи и сборку крупномасштабных структур, а значит — на условия, в которых формировались и эволюционировали галактики. В перспективе такие наблюдения позволят перейти к трёхмерной томографии тёмной материи и связать историю космической паутины с развитием отдельных галактик на протяжении миллиардов лет.

Подробнее на iXBT