Упродовж багатьох років астрофізики та космологи докладають максимум зусиль, щоб розгадати загадку темної матерії. Згідно з сучасними уявленнями, ця невидима маса становить 85% речовини у Всесвіті та 27% від його загальної маси й енергії. Ба більше, вона також забезпечує існування масштабної структури Всесвіту (космічної мережі, the cosmic web), яка управляє рухом галактик та речовини завдяки дії своєї гравітації.

На жаль, невідома природа темної матерії означає, що астрономи не можуть вивчати її прямо. Це заважає вимірювати її розподіл у Всесвіті. Однак можна зробити висновок про неї на підставі спостережуваного впливу, який гравітація темної матерії чинить на галактики та інші небесні об’єкти. Використовуючи передові методики машинного навчання, група корейсько-американських астрофізиків змогла скласти найдокладнішу мапу місцевого Всесвіту, яка показує, вигляд космічної мережі чи «космічної павутини».

Наукову групу, яка досягла цього прориву, очолював старший науковий співробітник Сунґвук Е. Гонґ (Sungwook E. Hong) із Сеульського університету і Корейського інституту астрономії та космічних наук (Korea Astronomy and Space Science Institute, KASI). До складу групи входили доцент Донґуї Чжон (Donghui Jeong) з Інституту гравітації та космосу (Institute for Gravitation and the Cosmos, IGS) штату Пенсільванія, а також дослідники Го Сеонґ Гван (Ho Seong Hwang) і Джухган Кім (Juhan Kim) із Сеульського національного університету та Корейського інституту перспективних досліджень (Korea Institute for Advanced Study, KIAS) відповідно.

У раніше виконаних дослідженнях спроби відобразити космічну мережу починали з її моделі в ранньому Всесвіті, а потім «стежили» за її еволюцією протягом мільярдів років. Однак цей метод мав обмежений успіх через потребу в досить потужних комп’ютерах для виконання обчислень. Корейські науковці застосували інший підхід — вони створили модель, використавши машинне навчання для передбачення розподілу темної матерії на основі відомого розподілу та руху галактик.

Дослідники побудували і навчили свою модель за допомогою даних Illustris-TNG, космологічного проекту, в рамках виконання якого виконано велику кількість моделювань з галактиками, газами, іншими формами баріонної матерії (видима речовина), а також темної матерії. Науковці дібрали імітовані галактики з Illustris-TNG, порівняла їх з Молочним Шляхом, та визначила властивості, потрібні для передбачення розподілу темної матерії.

Чжон зауважив: «Хоча це дивно, простіше вивчити розподіл темної матерії на величезних відстанях, бо в такому разі вона є відображенням дуже далекого минулого, склад і структура якого набагато простіші. З часом, коли великомасштабна структура Всесвіту збільшувалася, складність Всесвіту зростала, тому вимірювати темну матерію в близькому космічному довкіллі важче».

«Отримавши певну інформацію, модель може по суті заповнити прогалини на основі того, що вона розглядала раніше. Мапа, отримана з наших моделей, не ідеально відповідає даним моделювання, але ми все одно можемо реконструювати дуже деталізовані структури. Виявилося, врахувавши рух галактик — особливості їхніх радіальних швидкостей — поряд з їхнім розподілом у просторі, ми змогли різко покращити якість мапи, що дозволило побачити ці деталі».

Мапа темної матерії в локальному Всесвіті, створена завдяки моделюванню її розташування на підставі даних про гравітаційний вплив, який ця матерія чинить на галактики (чорні точки). Ці мапи щільності — кожна з поперечним перерізом у різних напрямках — відтворюють відомі астрономам риси Всесвіту (червоний), а також показують менші ниткоподібні утворення (жовтий), що пролягають між галактиками. Знак X позначає галактику Молочний Шлях, а стрілки — рух об’єктів місцевого Всесвіту, спричинений гравітацією. Фото з сайту www.universetoday.com.

Наступний крок передбачав застосування цієї моделі до реальних даних з місцевого Всесвіту, які наукова група отримала з бази даних Cosmicflow-3. Цей астрономічний каталог містить вичерпні дані про розподіл і переміщення понад 17000 галактик у межах 650 мільйонів світлових років (200 мегапарсеків) навколо Молочного Шляху. Отримана мапа успішно відтворила відомі структури у місцевому Всесвіті.

До таких належить «Місцевий аркуш» (Local Sheet), ділянка космосу, де міститься Молочний Шлях, Андромеда (та інші члени Місцевої групи галактик) та скупчення галактик в напрямку сузір’я Діви. Ще одна відома структура —  «Місцева порожнина» (Local Void), відносно порожня ділянка космічного простору поруч з Місцевою групою. Крім того, на мапі виявили кілька нових структур, зокрема менші ниткоподібні структури, що пролягають між галактиками.

За словами Чжона, — «наявність локальної мапи космічної мережі відкриває новий розділ космологічних досліджень. Ми маємо змогу вивчити, як розподіл темної матерії співвідноситься з даними про видиму речовину, що допоможе зрозуміти природу темної матерії. І ми можемо спостерігати прямо ці ниткоподібні структури, що є своєрідними прихованими мостами між галактиками».

«Оскільки темна матерія відіграє головну роль в динаміці Всесвіту, вона головно визначає нашу долю. Тож ми можемо завдяки комп’ютеру слідкувати за розвитком мапи протягом мільярдів років, щоб побачити, що буде в місцевому Всесвіті. І ми маємо змогу розвивати модель в часі, щоб зрозуміти історію нашого космічного сусідства».

Моделювання Illustris, що показує розподіл темної матерії в об’ємі космічного простору 350 мільйонів на 300 000 світлових років. Галактики зображені у вигляді білих цяток високої щільності (ліворуч) і як звичайна речовина (праворуч). Фото з сайту www.universetoday.com.

Наприклад, астрономи знають, що галактики Молочний Шлях та Андромеда поволі наближаються одна до одної. Однак чи зіткнуться вони за оцінками через 4,5 мільярда років, утворивши супергалактику (її назвали Мілкомеда), досі незрозуміло. Вивчаючи нитки темної матерії, які з’єднують дві ці галактики, астрофізики могли б отримати цінні уявлення про їх майбутнє.

Гонґ та його колеги також планують покращити точність своєї мапи, додавши більше галактик. Це стане можливим завдяки місіям наступного покоління, таким як космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST), що нарешті виведуть в космос 31 жовтня 2021 року. За допомогою свого набору інструментів JWST вивчатиме Всесвіт у діапазоні електромагнітного спектра від далекої видимої ділянки до середньої інфрачервоної довжин хвиль.

Це дасть змогу астрономам ідентифікувати галактики менших розмірів, а також слабкі й ті, що лежать далі від Сонячної системи. Удосконалення обчислювальної техніки та машинного навчання також уможливить створення більших і кращих моделей, що будуть описувати більшу кількість галактик протягом тривалого часу. Водночас астрометричні космічні місії, такі як обсерваторія «Гайя» (Gaia) Європейського космічного агентства (ЄКА), надають більш точні дані щодо власних рухів і швидкостей галактик.

Запланований до запуску в 2022 р. наступний космічний зонд, обсерваторія «Евклід» (Euclid) ЄКА, збиратиме дані про два мільярди галактик у просторі в межах 10 мільярдів світлових років. Ці дані астрономи використають для створення найдокладнішої на тепер тривимірної карти локальної ділянки Всесвіту, яка, як очікують науковці, відкриє важливі підказки про роль темної матерії (і темної енергії) в космічній еволюції. Ці мапи дадуть астрономам засоби порівняння, щоб зрозуміти, що їхні фізичні моделі правильні.

За інф. з сайту www.universetoday.com