Скрытые перемычки из темной материи
Новая карта показывает распределение темной материи вокруг Млечного Пути и раскрывает некоторые ранее неизвестные структуры. К таким структурам относится и некоторое количество филаментов (нитей), которые соединяют соседние галактики. Как пишут астрономы в Astrophysical Journal, этот пристальный взгляд на скрытые потоки материи в нашей космической среде может помочь выяснить природу темной материи.
Эти разделы карты показывают динамику и распределение плотности локального космоса и, таким образом, показывают также невидимые нити (желтые), состоящие из темной материи, которые соединяют галактики. X в центре отмечает положение Млечного Пути © Hong et. al./ Astrophysical Journal.
Темная материя настолько же вездесуща в космосе, насколько и таинственна. А все потому что совершенно неизвестно, из чего она состоит и какие у нее свойства. Очевидным кажется лишь то, что именно ее гравитация формирует поведение нормальной материи и ее распределение в космосе. Однако то, как распределяется сама темная материя, астрономы могут определить только косвенно, например, по движению звездных течений или галактик.
Близкие структуры почти не картированы
«По иронии судьбы, легче нанести на карту распределение темной материи на большом расстоянии, чем по соседству с нами», - объясняет соавтор работы Донгхуэй Чон из Университета штата Пенсильвания. - «И это потому что в далеком прошлом космос был менее сложным». Таким образом, большинство предыдущих карт распределения темной материи основаны на наблюдении или моделировании структур на расстоянии миллиардов световых лет от нас.
Однако то, как темная материя распределена в окрестностях нашего Млечного Пути и локальной группы, в значительной степени неизвестно. Причина: с одной стороны, части близлежащих структур закрыты от нас Млечным путем, с другой стороны, как объясняют Чон и его коллеги, на движение галактик влияют и другие факторы, а не только темная материя. Но если у нас в поле зрения имеются только несколько галактик, например, ближайший космос, то эти факторы помех будет труднее вычислить.
Помощь от искусственного интеллекта
Чтобы решить эту дилемму, команда Чона и его соавтора Сонук Хона из Сеульского университета использовали новый подход: для построения карт они использовали искусственный интеллект. Во-первых, они обучили свою адаптивную программу на наборе моделей, которые отображают особенности и распределение галактик, межзвездной материи, а также темной материи. Исследователи сосредоточились на массивах данных, содержащих множество галактик, похожих на Млечный Путь, и их окрестности.
Используя эти обучающие данные, искусственная нейронная сеть определила, как расстояние, яркость и собственное движение галактик связаны с плотностью и присутствием темной материи в их среде. «На основе того, что было изучено, система теперь может распознавать детализированные структуры в новых данных и закрывать некоторые пробелы в наших знания», - объясняет Чон.
Для фактического картирования искусственный интеллект (ИИ) получил затем данные из каталога галактик Cosmicflow 3, касающиеся 17 647 галактик в радиусе 65 миллионов световых лет вокруг Млечного Пути. На основе этой информации система определила распределение и плотность темной материи в наших космических окрестностях.
На карте показаны также некоторые уже известные крупные структуры (красный цвет)
Взгляд на «темные» филаменты
Карта, созданная с помощью ИИ, впервые показывает, как темная материя распределяется в нашей локальной вселенной. «Самая поразительная особенность, которую мы обнаружили, - это нитевидная структура локальной космической сети», - говорят исследователи. Карта ясно показывает, что темная материя распределена вокруг нас в виде сетевой структуры. Таким образом, ее локальное распределение похоже на то, которое можно наблюдать также в далекой, ранней вселенной.
«Наличие такой карты локальной космической сети открывает совершенно новую главу космологических исследований», - говорит Чон. - «Потому что теперь мы можем исследовать, каким образом локальное распределение темной материи связано с другими астрономическими данными, такими как определенные излучения».
Это, в свою очередь, может предоставить информацию о все еще загадочной природе темной материи. Согласно одной из гипотез, частицы темной материи могут аннигилировать друг друга, испуская рентгеновские или гамма-лучи. Если это правда, то это излучение должно быть соответственно выше в областях с высокой плотностью темной материи - новое картирование позволяет теперь такое сравнение.
Тонкая динамика нашего космического окружения
Новая карта дает также представление о динамике и гравитационных связях многих видимых объектов в локальном космосе. Например, она показывает множество хорошо известных крупных структур, таких как Локальная Пустота, относительно пустая зона в космосе, на краю которой находится наш Млечный Путь. «Данные о скорости показывают, как материал перемещается из локальной пустоты к ближайшим структурам филаментов и скоплениям галактик», - объясняют исследователи.
Некоторые крупные нити локальной космической сети на новой карте также стали видны. К ним относятся перемычка из темной материи между локальной группой и сверхскоплением Девы, которое было обнаружено в 2015 году, а также Стена Форнакса, филамент, соединяющий несколько скоплений галактик. По словам астрономов, это доказывает, что новая трехмерная карта хорошо отражает взаимодействия и динамику видимой и невидимой материи.
Неопознанные структуры
Но вот что интересно: на карте также видны новые, ранее неизвестные структуры. Они включают в себя несколько меньших перемычек из темной материи, которые соединяют соседние галактики. «С помощью новой карты мы теперь знаем, где находятся эти нитевидые структуры, и, таким образом, можем напрямую исследовать эти скрытые мосты между галактиками», - говорит Чон.
Новым также является только что обнаруженная однонаправленность карликовых галактик, шаровых скоплений и звездных течений в окрестностях Млечного Пути на локальном уровне. Она охватывает область в форме тарелки диаметром около 20 миллионов световых лет, в которой Млечный Путь и галактика Андромеды окружены двенадцатью большими галактиками.
Знание этих структур и аномалий теперь может предоставить дополнительную информацию о том, как наша космическая среда стала тем, чем она является сегодня. «Поскольку темная материя доминирует в динамике вселенной, она определяет также и нашу судьбу», - говорит Чон. Если мы узнаем законы, лежащие в основе ее текущего распределения, мы сможем виртуально повернуть время вспять и понять историю нашего космического соседства.