Учени съставят най-подробната карта на тъмната материя досега

Една от най-упоритите и важни загадки във физиката е въпросът: Какво всъщност е тъмната материя?

Това невидимо, загадъчно вещество е около пет пъти по-разпространено във Вселената от обикновената материя, от която са изградени хората, животните, планетите, звездите и всичко, което можем да наблюдаваме. Макар че тъмната материя не може да бъде засечена директно с телескопи, нейното гравитационно влияние върху галактики и галактически купове ясно показва, че тя е там.

Но за да разгадаят нейната природа, учените първо трябва да отговорят на друг основен въпрос: Къде се намира тя?

Досега различни проучвания са се опитвали да картографират разпределението на тъмната материя в Космоса. Но ново изследване, публикувано в Nature Astronomy, представя картата с най-висока резолюция до момента. Тя е съставена на базата на данни от космическия телескоп „Джеймс Уеб“ и потвърждава водещата теория, че именно гравитацията на тъмната материя е събрала обикновената материя в бучки, от които са се образували първите космически структури.

„Това е гравитационното скеле, в което всичко останало пада и се оформя в галактики. И всъщност можем да видим този процес на тази карта“, обяснява Ричард Маси, съавтор на изследването и физик в Университета "Дърам", Великобритания.

Без тъмната материя не би имало достатъчно гравитация, за да държи галактиките свързани. Дори нашият Млечен път, дом на милиарди планети, включително Земята, не би съществувал в сегашния си вид.

Новата карта обхваща част от небето, известна като полето COSMOS, регион, изследван в детайли от телескопа „Хъбъл“ и редица други обсерватории. Макар че картата на " Джеймс Уеб" включва почти 800 000 галактики, голяма част от които не са били известни досега, тя покрива сравнително малка област – около 2,5 пъти площта на пълната луна.

Преди около 20 години „Хъбъл“ предостави първите подробни изображения на това поле, разкривайки структурата на Вселената по революционен начин. Сега, благодарение на значително по-високата резолюция на "Джеймс Уеб", учените могат да наслагват новите данни върху старите и така да проверят предишни анализи, както и да открият нови детайли в самата основа на космическата мрежа.

„Структурите съвпадат, но вече можем да ги виждаме с много по-голяма финес и прецизност. И това е наистина зашеметяващо“, казва Диана Скогнамильо, космолог в Лабораторията за реактивно движение на НАСА и водещ автор на новото изследване.

Тъй като „Уеб“ наблюдава във инфрачервената част на спектъра, той предоставя поглед към галактики, образували се преди милиарди години в ранната Вселена. Това позволява на учените да откриват следи от структури от тъмна материя, наречени нишки, които оформят „космическа мрежа“, в която галактиките са разположени като нанизани върху невидими линии. „Навсякъде, където има тъмна материя, на различни разстояния и в различни моменти след Големия взрив, виждаме галактики, подредени като мъниста“, казва Маси.

Смята се, че след раждането на Вселената тъмната материя се е струпала, за да образува това гравитационно скеле, около което по-късно се е събирала обикновената материя. Новата карта от „Уеб“ подкрепя тази идея. „Където има тъмна материя, тя привлича обикновената материя и постепенно натрупва достатъчно материал, за да се образуват звезди и планети“, допълва Маси.

За да установят косвено къде се намират големите струпвания на тъмна материя в този участък от небето, учените използват техника, известна като гравитационно лещиране.

Масивни обекти като галактики или галактически купове могат да огъват светлината на по-далечни източници, като така тя изглежда изкривена. При силното лещиране образите се увеличават или изкривяват в характерни форми, понякога наподобяващи пръстен. Но в случая изследователите търсят по-фини ефекти – слабо лещиране, при което формите на галактиките са леко деформирани, понеже тъмната материя променя траекторията на светлината. Необходим е голям брой галактики, за да се изчисли количеството тъмна материя, отговорна за ефекта на слабото лещиране.

„Галактиките, или каквото и да наблюдаваме, се огъват в характерни форми – като отражение в огледало в увеселителен парк или като поглед през матирано стъкло“, казва Маси. „Ние определяме колко тъмна материя има, като анализираме как са изкривени формите на фоновите галактики.“

Този метод е като да наблюдаваме как листата и клоните се движат и по тях да заключим, че има вятър, обяснява още Маси. Изчисляването на тези фини промени в огромен брой галактики е голямо предизвикателство. Екипът е наблюдавал един и същи участък с „Уеб“ в продължение на 255 часа, което представлява най-голямото отделно проучване от първата научна година на телескопа, стартирала през 2022 г.

Самата карта е само началото. Рейчъл Манделбаум, физик от Университета "Карнеги Мелън", която не е част от екипа, очаква бъдещи изследвания върху това как различните видове галактики са свързани с количеството тъмна материя в тях, как са разпределени галактиките в пространството и какво представляват космическите празнини, области, където има значително по-малко галактики.

Такива анализи „ще ни помогнат да отговорим на основните въпроси за Вселената: как е разпределена материята и как са се развивали галактиките“, казва тя.

Картата от „Уеб“ се появява в началото на златната ера на изучаването на тъмната Вселена. Телескопът „Евклид“ на Европейската космическа агенция (изстрелян през 2023 г.) и бъдещият космически телескоп „Нанси Грейс Роман“ на НАСА, който трябва да бъде изстрелян тази есен, ще изследват тъмната материя в много по-обширни участъци от небето. И двата инструмента са проектирани за широки обзорни изследвания, докато „Уеб“ се концентрира върху малки региони, но с изключително висока резолюция. Новата обсерватория „Вера Рубин“ в Чили, публикувала първите си изображения през юни 2025 г., ще добави още карти на галактиките и тъмната материя, които ще задълбочат нашето разбиране за тази загадка.

„Картата е ключова първа стъпка към бъдещите знания, които ще придобием за тъмната материя“, казва Гавин Лерой, съръководител на изследването от Университета в Дърам.

Учените вече работят по триизмерна версия на новата карта от „Уеб“. Когато тя се комбинира с широкомащабните изследвания от други обсерватории, ще стане възможно да се приближим до основните въпроси. Например, тъмната материя състои ли се от тежки, бавнодвижещи се „студени“ частици или от по-леки и бързи „топли“ частици?

„Надявам се хората да видят в това основа за още повече изследвания“, казва Скогнамильо. „Ще можем да разширим данните с други телескопи и да ги комбинираме, за да правим космология и наистина да разберем какво представлява тъмната материя.“