Квазары помогли составить карту темной материи на расстоянии 10 миллиардов световых лет

Как квазары помогают картировать тёмную материю?

Квазары помогают картировать тёмную материю, выступая в роли светящихся трассеров, расположенных внутри массивных невидимых гало, что позволяет выявить скрытую гравитационную структуру Вселенной. Поскольку эти сверхмассивные чёрные дыры скапливаются в областях с высокой плотностью, их пространственная кластеризация позволяет астрономам делать выводы о распределении тёмной материи на протяжении миллиардов световых лет, даже несмотря на то, что сама материя не излучает света.

Крупномасштабную структуру Вселенной часто описывают как «космическую паутину» — сложную сеть филаментов и узлов, где концентрируется материя. Картирование этой паутины является колоссальной задачей, поскольку подавляющая часть её массы состоит из тёмной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи Guilhem Lavaux, Jens Jasche и Arthur Loureiro использовали недавно опубликованный каталог квазаров Quaia. Рассматривая квазары как «космологические маяки», команда смогла реконструировать трёхмерный «скелет» Вселенной на рекордном расстоянии в 10 миллиардов световых лет.

Квазары особенно полезны для такого типа реконструкции из-за их экстремальной светимости, которая позволяет видеть их в огромных диапазонах красного смещения. В этом исследовании использовались данные космического аппарата Gaia для создания двух основных выборок: «Clean» sample (G < 20.0) и «Deep» sample (G < 20.5). Эти выборки обеспечивают широкий охват всего неба, что необходимо для понимания того, как материя группировалась на протяжении космического времени. Анализируя «байас квазаров» (quasar bias) — математическую зависимость между тем, где появляются квазары, и тем, где находятся самые высокие концентрации материи, — исследователи смогли визуализировать невидимый каркас космоса в беспрецедентном масштабе.

Каков вклад миссии Gaia в космологию?

Миссия Gaia вносит вклад в космологию, предоставляя точные астрометрические данные для миллиардов небесных объектов, что позволяет создавать детальные 3D-карты Вселенной. Хотя изначально Gaia была разработана для картирования Млечного Пути, возможности её обзора всего неба теперь позволяют космологам связывать локальные галактические структуры с Крупномасштабной структурой Вселенной и проверять фундаментальные физические теории.

Хотя Gaia в первую очередь известна своим революционным влиянием на галактическую археологию, её способность идентифицировать и классифицировать миллионы квазаров открыла новые двери для космологии на уровне полей (field-level cosmology). Каталог Quaia, полученный на основе данных Gaia о звездных величинах в широком оптическом диапазоне, обладает уникальным преимуществом: он обеспечивает согласованный обзор всего неба, с которым наземным телескопам часто трудно сравниться из-за атмосферных помех и ограниченного поля зрения. Такой всесторонний охват жизненно важен для статистического вывода на уровне полей — метода, который реконструирует всё поле плотности, а не просто вычисляет усреднённую статистику.

Для обработки этого массивного набора данных исследовательская группа использовала алгоритм BORG (Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies). Эта сложная система использует физически обоснованную «прямую модель» (forward model) для симуляции эволюции Вселенной. Методология включает в себя несколько критических факторов:

• Лагранжева теория возмущений: математический аппарат, используемый для моделирования движения материи от ранней Вселенной до наших дней.
• Эффекты светового конуса: поправки, учитывающие тот факт, что мы видим далекие объекты такими, какими они были в прошлом, а не такими, какие они есть сегодня.
• Искажения в пространстве красных смещений: корректировка видимого смещения объектов, вызванного их пекулярными скоростями по направлению к нам или от нас.
• Эффекты селекции обзора: учёт ограничений видимости неба и загрязнений переднего плана для обеспечения репрезентативности данных об истинном космическом распределении.

Как выглядела Вселенная во время Большого взрыва?

Во время Большого взрыва Вселенная представляла собой невероятно горячую, плотную и почти однородную плазму, в которой материя и энергия были неразличимы. Микроскопические квантовые флуктуации в этом первозданном состоянии послужили «семенами» для всех будущих структур, которые в конечном итоге сколлапсировали под действием гравитации, образовав гало тёмной материи и галактики, наблюдаемые в современной космической паутине.

Одним из самых значительных достижений алгоритма BORG является его способность выполнять «обратный инжиниринг» в космическом масштабе. Применив этот алгоритм к каталогу Quaia, Lavaux, Jasche и Loureiro смогли реконструировать начальные условия Вселенной, фактически создав карту того, как выглядел космос вскоре после Большого взрыва. Этот процесс включает в себя отслеживание траекторий частиц назад во времени с учётом расширения пространства и гравитационного притяжения эволюционирующих структур.

Результаты реконструкции охватывают сопутствующий объем (10h⁻¹ Гпк)³ с пространственным разрешением 39,1 h⁻¹Мпк. На сегодняшний день это крупнейшая реконструкция наблюдаемой Вселенной на уровне полей. Связывая первоначальные «семена» ранней Вселенной с сегодняшним распределением тёмной материи, исследование представляет непрерывную историю космической эволюции. Исследователи подтвердили точность этих карт путём кросс-корреляции с данными линзирования реликтового излучения Planck, обнаружив сигнал со статистической значимостью примерно 4σ, что подтверждает соответствие их 3D-моделей реальному распределению массы во Вселенной.

Значимость вывода на уровне полей

Статистический вывод на уровне полей представляет собой сдвиг в методах изучения космоса. Традиционные методы часто полагаются на двухточечные корреляционные функции, которые анализируют среднее расстояние между парами галактик. Однако вывод на уровне полей, использованный в данном исследовании, пытается реконструировать конкретную плотность в каждой точке пространства. Это дает высокоточный информационный продукт, включающий апостериорные карты начальных условий, плотность тёмной материи на сегодняшний день и поля скоростей. Эти карты позволяют ученым видеть не просто средние свойства Вселенной, а конкретную «паутину», которая соединяет галактики на протяжении 10 миллиардов световых лет.

Будущие перспективы и тёмная энергия

Значение этой 3D-карты выходит далеко за рамки простой визуализации; она предоставляет новый инструмент для исследования тайн тёмной энергии. Понимая точный рост космических структур за последние 10 миллиардов лет, ученые смогут лучше измерить, как тёмная энергия ускоряла расширение Вселенной. Платформа, созданная в рамках этой работы, спроектирована как масштабируемая, что означает возможность её применения к будущим широкоугольным обзорам в рамках таких миссий, как Euclid или Vera C. Rubin Observatory.

Таким образом, использование каталога квазаров Quaia и алгоритма BORG трансформировало нашу способность видеть невидимое. Отслеживая пути самых далеких маяков в небе, исследователи нанесли на карту скелет из тёмной материи нашей Вселенной, открыв окно в прошлое, уходящее к самому рассвету времен. Эта работа не только дает карту современного космоса с высоким разрешением, но и устанавливает надежную методологию для всех будущих попыток расшифровать историю Большого взрыва и эволюцию крупномасштабной структуры.