Иллюминация темной материи

Астрономы из Германии и Дании сумели получить изображение окрестностей далекого квазара в линии Лайман-альфа водорода. Удалось измерить и доплеровское смещение этой линии в разных точках изображения, т.е. оценить скорость падающего газа в зависимости от расстояния до квазара. Тем самым получается оценка гравитационного потенциала, который определяется массой и распределением темной материи, т.е. проведенные наблюдения позволяют косвенно померить структуру гало темной материи вокруг квазара.

Уже обнаружено несколько квазаров при красном смещении z>6, т.е. они вспыхивают, когда формируются первые галактики. Скорей всего квазар – это проявление падения газа в поле сверхмассивной черной дыры. Такой сколлапсировавший объект и так рано может образоваться только там, где имеется глубокая потенциальная яма гравитации. А первые возмущения гравитационного поля нарастают там, где сгущается темная материя (Dark Matter), так как из наблюдений реликтового излучения известно, что возмущения обычного барионного вещества были исходно настолько слабы, что никаких галактик и квазаров не было бы и по сию пору, т.е. при z=0.

В номере журнала Nature от 26 августа 2004 г. опубликована статья [1] астрономов из ESO (European Southern Observatory) в Гархинге, ФРГ, и из Копенгагена и Орхуза (Aarhus) в Дании, в которой сообщается о получении первых подробных изображений квазара Q1205-30 при z=3 в линии Лайман-альфа водорода - см. рис.1.

Квазар облучает падающий газ в некотором широком конусе. Жесткое излучение квазара ионизует водород, который частично рекомбинирует обратно, причем не на основной уровень, а на возбужденные. При переходе с первого возбужденного уровня на основной и порождается Лайман-альфа фотон, который удается зарегистрировать на Земле (на длине волны в 4 раза больше начальной при z=3!).

Главная ось конуса повернута к нам под некоторым углом наклона. Авторы работы [1] подбирают угол раствора конуса (они получили 110°) и наклон (27°), которые дают наилучшее совпадение с наблюдениями.

Рис.1. Изображение в линии Ly-alpha в сравнении с моделями. a. Снимок области 10 x 10 секунд2 в линии Ly-alpha вокруг Q1205-30. Квазар удален с этого снимка, иначе он засветил бы все поле. Показана щель спектрографа шириной 1.2 секунды (с позиционным углом 7.9° к северо-востоку), а крестик указывает на близкую галактику g1, случайно попавшую на луч зрения. Отрезок слева равен 1 секунде. b-d. Модель для того же поля зрения при конусе облучения с раствором в 110° для трех различных углов наклона. b. Модель, лучше всего описывающая наблюдения (с углом наклона 27°). c. Наклон 10°, исключается на уровне 3.5σ. d. Наклон 50°, исключается на уровне 3 сигма.

Картина в несколько секунд дуги соответствует на таких расстояниях нескольким десяткам килопарсек, т.е. мы видим газ в гало вокруг гигантской галактики (которая, возможно, еще и не полностью сформировалась). Главное, что удалось проделать впервые, это получить, хотя и грубо, распределение скоростей падающего газа (рис. 2).

Рис.2. Развертка спектра Q1205-30 и протяженной области свечения в линии Ly-alpha. Длина волны отложена по абсциссе, а положение на небе - по ординате. Спектр снят при положении щели, указанном на рис.1a. a. Спектр квазара. Свечение Ly-alpha едва заметно на волне 4920 Ангстрем. b. Спектр квазара вычтен между 4850-5000 Ангстрем, при этом линия Ly-alpha ясно видна, а ее искривление за счет доплер-эффекта позволяет оценить скорость газа.

По скоростям авторы оценили массу гало из темной материи (2 - 7)x10¹² масс Солнца. Они говорят, что их результаты лучше всего согласуются с распределением темной материи в стандартных моделях (так называемая модель NFW - Наварро, Френка и Уайта). По-видимому, точность наблюдений пока еще слишком мала для строгих выводов о распределении темной материи и даже для опровержения модели с модифицированным законом тяготения (MOND), но важный новый шаг на пути изучения темной материи сделан.

Источник:
1. Michael Weidinger, Palle Moeller, Johan P.U. Fynbo: The Lyman-alpha glow of gas falling into the dark matter halo of a z=3 galaxy, Nature 430, 999 - 1001 (26 August 2004).