Το πρώτο «φως» στη σκοτεινή ύλη. Dark matter even darker than once thought

Οι νέες παρατηρήσεις... φωτίζουν τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη. Using visible-light images from Hubble, the team was able to map the post-collision distribution of stars and also of the dark matter (coloured in blue). The clusters shown here are, from left to right and top to bottom: MACS J0416.1–2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5+3745, Abell 370, Abell 2744 and ZwCl 1358+62. Credit: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team, ST-ECF, ESO, D. Coe (STScI), J. Merten (Heidelberg/Bologna), HST Frontier Fields, Harald Ebeling(University of Hawaii at Manoa), Jean-Paul Kneib (LAM)and Johan Richard (Caltech, USA)

Για πρώτη φορά οι επιστήμονες πιστεύουν ότι βρήκαν ενδείξεις πως η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της, μέσω μιας άλλης (άγνωστης) δύναμης πέρα από τη βαρύτητα - συνεπώς δεν είναι τελείως σκοτεινή.

Οι παρατηρήσεις

Οι ερευνητές Massey et al μελέτησαν έμμεσα τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης παρακολουθώντας την ταυτόχρονη σύγκρουση 4 γαλαξιών στο σμήνος γαλαξιών Abell 3827, σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών από τη Γη. Hubble Space Telescope image of the core of Abell 3827, with light from the four bright galaxies subtracted to reveal the background lens system. Colours show the F814W (red), F606W (green) and F336W (blue) bands, and the colour scale is square root. Linearly spaced contours show line emission at 835.5 nm from VLT / MUSE integral field spectroscopy. Residual emission near galaxies N.3 and N.4 may be a demagnified fifth image or merely imperfect foreground subtraction, so we do not use it in our analysis.

Οι παρατηρήσεις συγκρούσεων γαλαξιών, οι οποίες έγιναν με το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) του Ευρωπαϊκού Νοτίου Αστεροσκοπείου (ESO) στη Χιλή και του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, φωτίζουν κάπως για πρώτη φορά τη φύση της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης, που ονομάστηκε έτσι επειδή δεν αλληλεπιδρά καθόλου με το φως και την ορατή ύλη.

Κάθε γαλαξίας συνοδεύεται από τη δική του σκοτεινή ύλη. Από σκοτεινή ύλη αποτελείται περίπου το ένα τέταρτο του Σύμπαντος, ενώ αυτή, μέσω των βαρυτικών επιδράσεών της, αποτελεί την «κόλλα» που συγκρατεί τους γαλαξίες για να μην διαλυθούν. Σύμφωνα με μια εκτίμηση, το 5% της συνολικής ύλης/ενέργειας του Σύμπαντος είναι ορατή συμβατική ύλη, το 27% σκοτεινή ύλη και το υπόλοιπο 68% η ακόμη πιο μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια. Καθαρά σε επίπεδο ύλης (μάζας) του Σύμπαντος, το 85% περίπου είναι σκοτεινή.

Η τεχνική

This image from the NASA/ESA Hubble Space Telescope shows the rich galaxy cluster Abell 3827. The strange blue structures surrounding the central galaxies are gravitationally lensed views of a much more distant galaxy behind the cluster. Observations of the central four merging galaxies have provided hints that the dark matter around one of the galaxies is not moving with the galaxy itself, possibly implying dark matter-dark matter interactions of an unknown nature are occuring. Credit: ESO

Οι αστρονόμοι μελέτησαν έμμεσα τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης με τη μέθοδο του «βαρυτικού φακού» παρακολουθώντας την ταυτόχρονη σύγκρουση τεσσάρων γαλαξιών στο σμήνος γαλαξιών 'Αμπελ 3827, σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

Η μέθοδος του βαρυτικού φακού (ή μικροφακού) που αναπτύχθηκε πρόσφατα έχει συμβάλει πολύ στη διαστημική εξερεύνηση τα τελευταία χρόνια. Η τεχνική βασίζεται σε ένα φαινόμενο που προβλέπεται από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας, και βρίσκει εφαρμογή κυρίως στην αναζήτηση πλανητών. Οι ερευνητές επικεντρώνουν την προσοχή τους όταν ένα άστρο περνάει μπροστά από ένα άλλο, πιο μακρινό άστρο.

Κατά το πέρασμα αυτό το βαρυτικό πεδίο του πιο κοντινού άστρου – το οποίο σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα κάμπτει τον περιβάλλοντα χωροχρόνο – διαθλά το φως του πιο μακρινού άστρου λειτουργώντας σαν μεγεθυντικός φακός μέσα από τον οποίο το άστρο και οι πλανήτες που κινούνται γύρω από αυτό γίνονται ορατά από τη Γη.

Το αποτέλεσμα είναι να αυξάνει το μέγεθος και η φωτεινότητα ενός κοσμικού σώματος ως και 20 φορές. Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιείται και για τον εντοπισμό πολύ μακρινών γαλαξιών. Χρησιμοποιούνται ως βαρυτικοί φακοί πολύ μεγάλοι γαλαξίες οι οποίοι στρεβλώνουν και μεγεθύνουν το φως των γαλαξιών που βρίσκονται σε πιο μακρινές αποστάσεις

Η παρατήρηση

Για πρώτη φορά εντοπίζονται ενδείξεις ότι αλληλεπιδρά με τον εαυτό της. Using visible-light images from Hubble, the team was able to map the post-collision distribution of stars and also of the dark matter (coloured in blue), which was traced through its gravitational lensing effects on background light. Chandra was used to see the X-ray emission from impacted gas (pink). The team determined that dark matter interacts with itself and everything else even less than previously thought. The clusters shown here are, from left to right and top to bottom: MACS J0416.1-2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5+3745, Abell 370, Abell 2744, and ZwCl 1358+62. Credit: NASA/ESA/STScI/CXC, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland; University of Edinburgh, UK), R. Massey (Durham University, UK), T. Kitching (University College London, UK), and A. Taylor and E. Tittley (University of Edinburgh, UK

Επιστήμονες από διάφορες χώρες, με επικεφαλής τον Ρίτσαρντ Μάσεϊ του Ινστιτούτου Κοσμολογίας του βρετανικού Πανεπιστημίου του Ντάραμ συμπέραναν ότι, ως συνέπεια των γαλαξιακών συγκρούσεων, η σκοτεινή ύλη φαίνεται να επιβραδύνεται και να εμφανίζει έτσι μια αυξημένη απόσταση της τάξεως των 5.000 ετών φωτός από τον αντίστοιχο γαλαξία της.

Αυτό θεωρητικά μπορεί να εξηγηθεί αν, καθώς συγκρούονται οι γαλαξίες, οι αντίστοιχες σκοτεινές ύλες τους αλληλεπιδρούν, έστω και λίγο (η αλληλεπίδραση γίνεται με κάποιον «εξωτικό» άγνωστο τρόπο). Εφόσον αυτό όντως συμβαίνει, τότε για πρώτη φορά παρατηρήθηκε η σκοτεινή ύλη να αντιδρά σε μια άλλη δύναμη (με μια άλλη σκοτεινή ύλη) πέρα από τη δύναμη της βαρύτητας. Οι επιστήμονες δήλωσαν ότι χρειάζονται πάντως περισσότερες αστρονομικές παρατηρήσεις και προσομοιώσεις σε υπολογιστές για να βεβαιωθούν για αυτό που είδαν. Άλλοι αστρονόμοι εμφανίστηκαν επιφυλακτικοί μέχρι να προκύψουν περαιτέρω στοιχεία. Η ανακάλυψη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society».