огда в 2027 году космический телескоп NASA Nancy Grace Roman начнет научные наблюдения, он воспользуется эффектом искривления пространства, предсказанным Эйнштейном еще в 1916 году, чтобы разгадать одну из величайших загадок науки — природу темной материи.

Речь идет о гравитационном линзировании. Согласно общей теории относительности, массивные объекты искривляют ткань пространства-времени (четырехмерного единства пространства и времени), и свет от далеких источников отклоняется, проходя через эти «вмятины» в космосе.

Новое исследование предполагает, что изображения, полученные Roman в ходе масштабных обзоров, могут содержать около 160 000 гравитационных линз. Из них примерно 500 идеально подойдут для изучения темной материи — самой загадочной «субстанции» во Вселенной.

«В конечном итоге, мы пытаемся ответить на вопрос: из каких частиц состоит темная материя?» — говорит Тансу Дайлан, ведущий исследователь проекта из Университета Вашингтона в Сент-Луисе.

«Хотя некоторые свойства темной материи известны, мы по сути не имеем понятия, что она собой представляет», — добавляет он. «Roman поможет нам понять, как темная материя распределена в малых масштабах, а значит, раскроет ее природу».

Темная материя и искривленное пространство

Темная материя остается одной из главных загадок для ученых. Несмотря на то, что она составляет около 85% всей материи во Вселенной, мы почти ничего о ней не знаем. Проблема в том, что темная материя не взаимодействует со светом (точнее, с электромагнитным излучением).

Это означает не только ее невидимость, но и то, что она не может состоять из привычных частиц — электронов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы звезд, планет, лун и даже соседского кота (который, кстати, прекрасно виден, когда снова топчется на вашем базилике).

Поскольку темная материя не подчиняется электромагнитному взаимодействию (одному из четырех фундаментальных сил природы), ученые ищут новые частицы за пределами Стандартной модели физики.

Но если темная материя не взаимодействует со светом, как она может его искривлять? Ответ — через гравитацию. Согласно общей теории относительности, любое тело с массой искривляет пространство-время, и свет вынужден следовать этому искривлению. Таким образом, темная материя участвует в гравитационном линзировании.

Когда свет от далекого источника проходит рядом с массивным объектом (например, галактикой), его траектория изгибается. Степень искривления зависит от того, насколько близко луч проходит к скоплению массы.

Из-за этого свет от одного источника может огибать гравитационную линзу разными путями, достигая телескопа в разное время.

Результатом линзирования может быть:

• Усиление яркости фонового объекта (как в случае с телескопом James Webb, который использует этот эффект для изучения ранних галактик).

• Появление множественных изображений одного объекта, иногда в виде эффектных колец или крестов Эйнштейна.

Но гравитационное линзирование также раскрывает детали о самой линзе. Если это галактика, можно изучить распределение ее невидимой темной материи.

«Этот эффект создает несколько изображений фоновой галактики, каждое из которых искажено по-разному», — объясняет Дайлан.

Такие «дубликаты» позволяют ученым точнее измерить распределение массы в линзирующей галактике.

Новая эра Roman

Каждое изображение, полученное Roman, будет примерно в 200 раз больше, чем снимки Hubble. Это обеспечит огромное количество новых гравитационных линз.

Но дело не только в количестве — Roman предоставит невероятно четкие и детализированные изображения.

«Roman не только увеличит количество известных линз, но и благодаря высокому разрешению позволит находить даже те, что выглядят очень маленькими», — говорит Дайлан. «В конечном счете, важно и расположение, и яркость фоновых галактик — только так мы сможем изучить темную материю в передних галактиках».

Широкоугольный инструмент Roman с 300-мегапиксельной камерой позволит измерять искривление света с такой точностью, как если бы мы определяли толщину человеческого волоса с расстояния в два с половиной футбольных поля.

Поскольку мелкие сгустки темной материи создают менее заметные искажения, такая чувствительность поможет обнаруживать даже самые небольшие скопления. Возможно, Roman найдет те самые «комки» темной материи, которые, как считают ученые, стали строительными блоками галактик в ранней Вселенной.

«Поиск гравитационных линз и темной материи в них — игра с малыми шансами. Но Roman позволит нам закинуть широкую сеть и часто находить удачные примеры», — говорит Брайс Ведиг, руководитель исследования. «Мы не увидим темную материю напрямую — она невидима. Но мы измерим ее влияние».

«Мы расширим границы наблюдаемого и используем каждую линзу, обнаруженную Roman, чтобы раскрыть природу темной материи», — заключает Дайлан.

Что дальше?

С запуском Roman в 2027 году ученые получат мощнейший инструмент для изучения темной материи. Его данные могут привести к революции в астрофизике, подтвердив или опровергнув существующие теории.

А пока остается ждать — и надеяться, что Roman действительно «поймает» невидимую составляющую нашей Вселенной.