Учёные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) получили самую точную на сегодняшний день карту распределения массы в Скоплении Пули — одной из ключевых космических систем для изучения тёмной материи. Новая модель позволила существенно сократить неопределённости и усилить ограничения на возможное самодействие скрытой массы.

Скопление Пули (1E 0657–56), расположенное на красном смещении z = 0,296, известно как результат столкновения двух скоплений галактик. В этой системе горячий газ, видимый в рентгеновском диапазоне, пространственно отделён от основной массы, восстановленной по эффекту гравитационного линзирования. Именно это расхождение стало одним из самых убедительных наблюдательных аргументов в пользу существования тёмной материи.

До недавнего времени модели Скопления Пули опирались лишь на 6 надёжно подтверждённых систем множественных изображений фоновых галактик. Этого было недостаточно для построения прецизионной карты гравитационного потенциала. С появлением данных JWST ситуация изменилась.

Наблюдения камерой NIRCam в восьми инфракрасных фильтрах и спектроскопия NIRSpec позволили выявить 135 надёжных линзированных изображений, сформированных 27 удалёнными галактиками. Все они вошли в так называемый каталог Gold, состоящий только из спектроскопически подтверждённых объектов. Такой подход позволил исключить ошибки, связанные с неверной идентификацией изображений.

Диапазон красных смещений фоновых источников от z = 0,9 до 6,7 дал возможность «просканировать» гравитационное поле скопления на разных расстояниях от центра и превратить его в своеобразный инструмент для проверки космологических моделей.

Для реконструкции массы в модель были включены крупные гало тёмной материи, индивидуальные гало галактик скопления, а также распределение горячего газа по данным обсерватории «Чандра». Дополнительно учёные учли 7 внешних групп галактик, расположенных вдоль основных направлений скопления, что позволило отказаться от упрощённых приближений и сделать модель более физически реалистичной.

Анализ показал, что система имеет сложную двухпиковую структуру, а субкластер «Пули» окружён компактным гало тёмной материи. Одним из ключевых результатов стало уточнение положения центра массы относительно ярчайшей галактики субкластера. Неопределённость этого смещения была уменьшена примерно в три раза и составила 4 (+4/–2) килопарсека.

Такая точность позволила существенно ужесточить ограничения на самодействия тёмной материи. Если ранее верхний предел оценивался как менее 1,25 см2/г, то новые данные указывают на значение ниже 0,2 см2/г. Отсутствие заметного смещения между звёздным компонентом и тёмной материей в условиях высокоскоростного столкновения подтверждает предсказания стандартной модели холодной тёмной материи.

Кроме того, спектроскопия помогла устранить так называемое «вырождение масса–красное смещение», которое долгое время ограничивало точность подобных исследований. Жёсткая фиксация расстояний до фоновых галактик позволила разорвать связь между оценкой массы линзы и удалённостью источников.

Сравнение с предыдущими работами показало хорошее согласие профилей массы на масштабах около 60 килопарсек, несмотря на использование разных методов моделирования. Это подтверждает надёжность гравитационного линзирования как инструмента для «взвешивания» крупнейших структур во Вселенной.

Авторы отмечают, что полученная карта распределения массы является самой точной для Скопления Пули на сегодняшний день и завершает период высокой неопределённости в его моделировании. Помимо проверки свойств тёмной материи, она будет использоваться для поиска и изучения крайне далёких галактик, включая объекты эпохи формирования первых звёздных систем на красных смещениях до z ≈ 11.

Так, Скопление Пули остаётся «эталонной лабораторией», связывающей физику элементарных частиц с наблюдательной космологией, а данные JWST выводят его исследование на уровень практически метрологической точности.