Гравитация зажигает далёкие звёзды, и их вспышки выдают тёмную материю

Мы привыкли думать, что далёкую звезду в чужой галактике разглядеть невозможно: в лучшем случае видно общее размытое свечение миллиардов светил. Но космический телескоп «Джеймс Уэбб» увидел больше сотни отдельных звёзд в галактике, свет от которой идёт около 6,5 млрд лет. Каждая из них на несколько дней или недель вспыхивала в сотни и тысячи раз ярче обычного. А самое интересное спрятано в том, где именно эти вспышки случаются и где их почему-то нет.

Масса искривляет путь света, даже если свет ничего не весит

Всё начинается с общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Её главная мысль звучит дерзко: гравитация не тянет предметы невидимой нитью, а искривляет само пространство-время. Тела и лучи движутся по самому прямому пути, какой им доступен, но в искривлённом пространстве этот путь изгибается.

Почему это было неочевидно? В привычной картине свету, у которого нет массы, не за что зацепиться силой тяжести. Эйнштейн утверждал обратное: луч, проходящий мимо огромной массы, обязан свернуть. Отсюда следует вывод, который через сто лет кормит астрономию: любую массу, даже совершенно тёмную, можно взвесить по тому, как она гнёт чужой свет.

Остаётся найти массу побольше и что-нибудь яркое за ней.

Скопление Abell 370 работает как кривое увеличительное стекло

Такая масса нашлась. Скопление галактик Abell 370 своей тяжестью искривляет и усиливает свет галактики, которая лежит прямо за ним. Её изображение растянулось в длинную сияющую дугу, которую астрономы прозвали дугой Дракона.

Линза эта неровная, ведь масса в скоплении распределена клочьями. Из-за этого возникают особые линии, где усиление максимально, — каустики. Их легко представить: в солнечный день на дне бассейна дрожат яркие светлые прожилки. Рябь на воде собирает солнечный свет в тонкие линии, и всё, что оказывается на такой линии, сияет особенно ярко.

Звёзды в дуге Дракона медленно плывут относительно этих линий. И когда звезда пересекает каустику, происходит нечто похожее на фокус.

Два отражения сливаются, и звезда загорается в тысячи раз ярче

Линза показывает каждую звезду дважды, как пару зеркальных отражений. В момент пересечения каустики эти два изображения сливаются в одно, и видимая яркость взлетает в сотни и тысячи раз. Астрономы называют это событием пересечения каустики, или CCE. Через дни или недели звезда снова гаснет до неразличимости.

Команда под руководством Хосе Марии Паленсии из Института физики Кантабрии перебрала архивные снимки инфракрасной камеры «Уэбба» за 2022–2024 годы. Чтобы не принять мусор за звезду, с кадров убрали фоновый шум, свечение ядра галактики и посторонние яркие объекты. Итог — 104 отдельные вспышки, больше чем вдвое против прежнего рекорда для этого участка неба.

Разглядеть удалось лишь самых ярких: голубые и красные супергиганты, огромные звёзды на последних этапах жизни. Горячих голубых и холодных красных оказалось поровну, а это портрет зрелой галактики, где новые звёзды всё ещё рождаются. Но куда важнее оказалось не то, какие звёзды вспыхивают, а то, где.

Вспышки обходят одну сторону линии, и это след тёмной материи

Нанеся все 104 события на карту дуги, исследователи заметили странный перекос. С одной стороны линии максимального усиления вспышек резко меньше, чем с другой. Если бы масса в линзе была гладкой, такой асимметрии ждать не стоило.

Здесь и пригодилась идея Эйнштейна: рисунок вспышек зависит от того, как устроена невидимая масса на пути света. Перекос укладывается в модель «пушистой» тёмной материи. Она предполагает, что тёмная материя состоит из гипотетических сверхлёгких частиц, которые ведут себя как квантовые волны, а не как крошечные шарики. Такая материя распределена иначе, и линза из неё рисует каустики по-своему.

Выходит, мерцание звёзд за миллиарды световых лет превратилось в прибор, который проверяет природу вещества, которое никто никогда не видел. Правда, у этого прибора пока одно показание.

Читайте также: Астероид сделал силу бесполезной. Выиграли муравьи и их «прыгающие гены»

Одна дуга — ещё не доказательство

Асимметрия найдена в единственной дуге, и модель «пушистой» тёмной материи пока лишь согласуется с ней, а не подтверждена. Учёные рассчитывают проверить находку, регулярно наблюдая другие далёкие дуги. Работа опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Представьте небо как огромный бассейн, где рябь создаёт невидимая масса, а мы видим только солнечные блики на дне. По тому, как пляшут эти блики, можно понять форму волн, даже не видя воды. Звёзды, вспыхивающие на несколько дней за 6,5 млрд световых лет, — именно такие блики, и сто лет назад предсказанный изгиб света теперь позволяет прочесть по ним, из чего сделана тёмная половина Вселенной.

Больше историй о том, как большие идеи оживают в новых открытиях, — в наших статьях.

Ещё в «Высоких технологиях»

У депрессии нашли свои часы, и привычные таблетки могут их не слышатьМолекулы-цепочки изменили быт сильнее любой машины. А в них не верилиБроуновское движение и Резерфорд: атом почти целиком состоит из пустоты

Все материалы раздела →