JWST заглянул в космическую зарю — и увидел галактики, которые рушат представления о тёмной материи

Учёные сравнили данные JWST с моделями тёмной материи по данным Майо

Самые ранние звёзды и галактики стали для астрономов настоящими архивами, скрывающими подсказки о том, что заполняет большую часть пространства. Эти древние системы возникли, когда Вселенная была ещё молода — ей было всего несколько сотен миллионов лет. Свет, который они оставили после себя, помогает учёным оценивать свойства невидимой материи и понимать, как формировались первые структуры. Новый анализ сравнивает наблюдения космического телескопа имени Джеймса Уэбба с моделями, показывающими влияние разных видов тёмной материи.

Почему тёмная материя требует нового теста

Исследование возглавил астрофизик Умберто Майо из Итальянского национального института астрофизики, изучающий роль невидимой массы в ранней Вселенной. Тёмная материя составляет большую часть космической массы и проявляет себя через гравитацию, хотя не взаимодействует со светом.

Классическая картина предполагает наличие холодной тёмной материи — медленных частиц, которые рано начинают формировать тёмные ореолы. В альтернативных моделях тёплая тёмная материя состоит из более быстрых частиц, сглаживающих мелкомасштабные структуры.

"Тёплая тёмная материя является возможной альтернативой холодной тёмной материи, чтобы объяснить формирование космологической структуры", — отметил Майо.

JWST и космический рассвет

Космический телескоп Джеймса Уэбба стал главным инструментом для наблюдения галактик, существовавших всего через 200 млн лет после Большого взрыва. Ранние обзоры выявили десятки галактик с красными смещениями 8-15, что вызвало вопросы о том, почему некоторые из них столь яркие.

Для уточнения картины важно учитывать свойства гравитации и структуру пространства, особенно с учётом того, что исследования времени на Марсе позволяют по-новому оценивать влияние фундаментальных эффектов на космические процессы.

Моделирование формирования звёзд и галактик

Команда Майо создала численные симуляции, отслеживающие взаимодействия газа и темной материи, рождение первых звёзд, химическое обогащение и накопление галактик.

Модели включали версии для холодной и тёплой тёмной материи. Лёгкие частицы тёплой материи размывают мелкомасштабные структуры, тогда как более тяжёлые ведут себя почти так же, как холодные.

Исследователи сравнили скорость звездообразования, распределение галактик по яркости и то, как слабые галактики группируются в пространстве.

Холодная или тёплая тёмная материя?

Скорость звездообразования оказалась почти одинаковой при обеих моделях. Тёплая тёмная материя оставалась допустимой, если масса частиц превышала примерно 2 кэВ.

Однако независимые наблюдения Lyman-α леса указывают, что слишком лёгкие частицы уже исключены. Кроме того, самые лёгкие тёплые модели давали недостаточный рост звёздной массы и слишком мало молекулярного газа по сравнению с данными COLDz.

При этом количество ярких галактик, наблюдаемых JWST, полностью согласуется с предсказаниями холодной тёмной материи.

Крошечные галактики как главный тест

Будущие наблюдения слабых галактик станут ключевым тестом. В тёплых моделях таких галактик меньше, и они заметно плотнее группируются на расстояниях до 30 тысяч световых лет.

Различия особенно проявятся в функции ультрафиолетовой светимости и маломасштабной кластеризации.

Дополнительные подсказки дают данные о том, как галактики взаимодействуют с центральными объектами и окружающей средой — например, как поведение звёзд рядом с чёрными дырами в Млечном Пути помогает оценивать свойства тяготения и распределение масс.