Με απλά λόγια, το Dark Matter πιστεύεται ότι δεν αποτελεί μόνο το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του Σύμπαντος, αλλά επίσης λειτουργεί ως το ικρίωμα πάνω στο οποίο χτίζονται οι γαλαξίες. Αλλά για να βρουν στοιχεία αυτής της μυστηριώδους, αόρατης μάζας, οι επιστήμονες αναγκάζονται να βασίζονται σε έμμεσες μεθόδους παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των μαύρων τρυπών. Ουσιαστικά, μετρούν πώς η παρουσία του Dark Matter επηρεάζει τα αστέρια και τους γαλαξίες στην περιοχή του.
Μέχρι σήμερα, οι αστρονόμοι κατάφεραν να βρουν στοιχεία για συσσωματώματα σκοτεινής ύλης γύρω από τους μεσαίους και μεγάλους γαλαξίες. Χρήση δεδομένων από το Διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και μια νέα τεχνική παρατήρησης, μια ομάδα αστρονόμων από την UCLA και τη NASA JPL διαπίστωσαν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να σχηματίσει πολύ μικρότερες συστάδες από ό, τι πιστεύαμε προηγουμένως. Αυτά τα ευρήματα παρουσιάστηκαν αυτήν την εβδομάδα στην 235η συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας (AAS).
Η πιο ευρέως αποδεκτή θεωρία σχετικά με το Dark Matter δηλώνει ότι δεν αποτελείται από τα ίδια πράγματα με το βαρυονικό (γνωστό και ως φυσιολογική ή «φωτεινή» ύλη) - δηλαδή πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Αντίθετα, το Dark Matter είναι θεωρητικό ότι αποτελείται από ένα είδος άγνωστου υποατομικού σωματιδίου που αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας, οι πιο αδύναμες από τις θεμελιώδεις δυνάμεις - οι άλλες είναι ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις.
Μια άλλη ευρέως αποδεκτή θεωρία δηλώνει ότι το Dark Matter κινείται αργά σε σύγκριση με άλλους τύπους σωματιδίων και επομένως είναι επιρρεπές σε συσσωμάτωση. Σύμφωνα με αυτήν την ιδέα, το Σύμπαν θα πρέπει να περιέχει ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης, που κυμαίνονται από μικρό έως μεγάλο. Ωστόσο, μέχρι τώρα, δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ μικρές συγκεντρώσεις.
Χρησιμοποιώντας δεδομένα που ελήφθησαν από το Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3), η ερευνητική ομάδα προσπάθησε να βρει αποδείξεις για αυτές τις μικρές συστάδες μετρώντας το φως από τους φωτεινούς πυρήνες οκτώ απομακρυσμένων γαλαξιών (γνωστά και ως κβάζαρ) για να δει πώς επηρεάζεται καθώς ταξιδεύει. μέσω του διαστήματος. Αυτή η τεχνική, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως από αστρονόμους για τη μελέτη μακρινών γαλαξιών, συστάδων αστεριών, ακόμη και εξωπλανητών, είναι γνωστή ως βαρυτικός φακός.
Αρχικά προβλεπόμενη από τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, αυτή η τεχνική βασίζεται στη βαρυτική δύναμη των μεγάλων κοσμικών αντικειμένων για να παραμορφωθεί και να μεγεθύνει το φως από πιο μακρινά αντικείμενα. Ο Daniel Gilman της UCLA, που ήταν μέλος της ομάδας παρατήρησης, εξήγησε έτσι τη διαδικασία:
«Φανταστείτε ότι ο καθένας από αυτούς τους οκτώ γαλαξίες είναι ένας τεράστιος μεγεθυντικός φακός. Οι μικρές συστάδες σκοτεινής ύλης δρουν ως μικρές ρωγμές στο μεγεθυντικό φακό, αλλάζοντας τη φωτεινότητα και τη θέση των τεσσάρων εικόνων κβάζαρ σε σύγκριση με αυτό που θα περίμενε κανείς να δει αν το γυαλί ήταν λείο. "
Όπως ελπίζαμε, το Χαμπλ Οι εικόνες έδειξαν ότι το φως που προέρχεται από αυτά τα οκτώ κβάζαρ υπόκειται σε φακό φακό που συνάδει με την παρουσία μικρών συστάδων κατά μήκος της οπτικής γραμμής του τηλεσκοπίου και εντός και γύρω από τους γαλαξίες φακού προσκηνίου. Τα οκτώ κβάζαρ και οι γαλαξίες ευθυγραμμίστηκαν τόσο ακριβώς ώστε το στρεβλωτικό αποτέλεσμα παρήγαγε τέσσερις παραμορφωμένες εικόνες κάθε κβάζαρ.
Χρησιμοποιώντας περίπλοκα υπολογιστικά προγράμματα και εντατικές τεχνικές ανακατασκευής, η ομάδα συνέκρινε στη συνέχεια το επίπεδο παραμόρφωσης με προβλέψεις για το πώς θα εμφανίζονταν τα κβάζαρ χωρίς την επιρροή του Dark Matter. Αυτές οι μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν επίσης για τον υπολογισμό των μαζών των συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης, οι οποίες έδειξαν ότι ήταν 1 / 10.000 έως 1 / 100.000 φορές η μάζα του φωτοστέφανου Dark Matter του Γαλαξία.
Εκτός από την πρώτη φορά που παρατηρήθηκαν μικρές συγκεντρώσεις, τα αποτελέσματα της ομάδας επιβεβαιώνουν μία από τις θεμελιώδεις προβλέψεις της θεωρίας «Cold Dark Matter». Αυτή η θεωρία υποστηρίζει ότι δεδομένου ότι το Dark Matter κινείται αργά (ή «κρύο»), είναι σε θέση να σχηματίσει δομές που κυμαίνονται από μικροσκοπικές συγκεντρώσεις έως τεράστιες, που είναι αρκετές φορές η μάζα του Γαλαξία μας.
Αυτή η θεωρία δηλώνει επίσης ότι όλοι οι γαλαξίες στο Σύμπαν σχηματίστηκαν μέσα σε σύννεφα του Dark Matter, γνωστά ως «φωτοστέφανα» και έγιναν ενσωματωμένα σε αυτά. Αντί των αποδεικτικών στοιχείων για μικρής κλίμακας συστάδες, ορισμένοι ερευνητές έχουν προτείνει ότι το Dark Matter μπορεί στην πραγματικότητα να είναι "ζεστό" - δηλαδή γρήγορα κινούμενο - και ως εκ τούτου πολύ γρήγορο για να σχηματίσει μικρότερες συγκεντρώσεις.
Ωστόσο, οι νέες παρατηρήσεις προσφέρουν οριστική απόδειξη ότι η θεωρία του Cold Dark Matter και το κοσμολογικό μοντέλο που υποστηρίζει - το μοντέλο Lambda Cold Dark Matter (? CDM) - είναι σωστή. Ως μέλος της ομάδας καθηγητής Tommaso Treu του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, στο Λος Άντζελες (UCLA), εξήγησε αυτά τα τελευταία Χαμπλ οι παρατηρήσεις αποδίδουν νέες γνώσεις σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης και τον τρόπο συμπεριφοράς της.
«Κάναμε ένα πολύ συναρπαστικό τεστ παρατήρησης για το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης και περνάει με ιπτάμενα χρώματα», είπε. «Είναι απίστευτο ότι μετά από σχεδόν 30 χρόνια λειτουργίας, το Χαμπλ επιτρέπει την αιχμή θέα στη θεμελιώδη φυσική και τη φύση του σύμπαντος που δεν ονειρευόμασταν καν όταν ξεκίνησε το τηλεσκόπιο».
Η Άννα Νιέρμπεργκ, ερευνητής στο NASA Jet Propulsion Laboratory που ηγήθηκε της Χαμπλ έρευνα, εξήγησε περαιτέρω:
Το κυνήγι για συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης χωρίς αστέρια έχει αποδειχθεί προκλητικό. Η ερευνητική ομάδα του Χαμπλ, ωστόσο, χρησιμοποίησε μια τεχνική στην οποία δεν χρειάστηκε να αναζητήσουν τη βαρυτική επίδραση των αστεριών ως ιχνηλάτες της σκοτεινής ύλης. Η ομάδα στόχευσε σε οκτώ ισχυρά και μακρινά κοσμικά «φώτα δρόμου», που ονομάζονται κβάζαρ (περιοχές γύρω από ενεργές μαύρες τρύπες που εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες φωτός). Οι αστρονόμοι μέτρησαν πώς το φως που εκπέμπεται από το οξυγόνο και το αέριο νέον σε τροχιά κάθε μαύρης τρύπας των κβάζαρ παραμορφώνεται από τη βαρύτητα ενός τεράστιου γαλαξία προσκηνίου, ο οποίος ενεργεί ως μεγεθυντικός φακός.
Ο αριθμός των μικρών δομών που εντοπίστηκαν στη μελέτη προσφέρει περισσότερες ενδείξεις σχετικά με τη φύση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, καθώς οι ιδιότητές τους θα επηρέαζαν πόσες συστάδες σχηματίζονται. Ωστόσο, ο τύπος του σωματιδίου που αποτελείται από το Dark Matter παραμένει μυστήριο προς το παρόν. Ευτυχώς, η ανάπτυξη διαστημικών τηλεσκοπίων επόμενης γενιάς στο εγγύς μέλλον αναμένεται να βοηθήσει στο θέμα αυτό.
Αυτά περιλαμβάνουν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) και το τηλεσκόπιο υπέρυθρων ερευνών Wide Field (WFIRST), και τα δύο είναι παρατηρητήρια υπερύθρων που έχουν προγραμματιστεί να ανεβούν αυτή τη δεκαετία. Με τα εξελιγμένα οπτικά τους, τα φασματόμετρα, το μεγάλο οπτικό πεδίο και την υψηλή ανάλυση, αυτά τα τηλεσκόπια θα είναι σε θέση να παρατηρήσουν ολόκληρες περιοχές του χώρου που επηρεάζονται από τεράστιους γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών και τα αντίστοιχα φωτοστέφανα.
Αυτό πρέπει να βοηθήσει τους αστρονόμους να προσδιορίσουν την πραγματική φύση του Dark Matter και πώς μοιάζουν τα συστατικά του σωματίδια. Ταυτόχρονα, οι αστρονόμοι σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα ίδια εργαλεία για να μάθουν περισσότερα για τη Σκοτεινή Ενέργεια, ένα άλλο μεγάλο κοσμολογικό μυστήριο που μπορεί να μελετηθεί μόνο έμμεσα για τώρα. Οι συναρπαστικές στιγμές βρίσκονται μπροστά!
