Εξιχνιάζοντας τα μυστικά της σκοτεινής ύλης. Cosmic Magnifying Glasses Find Dark Matter in Small Clumps

Βρέθηκαν οι μικρότερες γνωστές συγκεντρώσεις της. The mysterious material makes up most of the mass in the universe, yet scientists don't understand its fundamental properties. Hubble observations have provided new clues. Each of these Hubble Space Telescope snapshots reveals four distorted images of a background quasar and its host galaxy surrounding the central core of a foreground massive galaxy. The gravity of the massive foreground galaxy is acting like a magnifying glass by warping the quasar’s light in an effect called gravitational lensing. Quasars are extremely distant cosmic streetlights produced by active black holes. Such quadruple images of quasars are rare because of the nearly exact alignment needed between the foreground galaxy and background quasar. Astronomers used the gravitational lensing effect to detect the smallest clumps of dark matter ever found. The clumps are located along the telescope's line of sight to the quasars, as well as in and around the foreground lensing galaxies. The presence of the dark matter concentrations alters the apparent brightness and position of each distorted quasar image. Astronomers compared these measurements with predictions of how the quasar images would look without the influence of the dark matter clumps. The researchers used these measurements to calculate the masses of the tiny dark matter concentrations. Hubble's Wide Field Camera 3 captured the near-infrared light from each quasar and dispersed it into its component colors for study with spectroscopy. The images were taken between 2015 and 2018. Credits: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA και μια νέα τεχνική παρατήρησης, αστρονόμοι ανακάλυψαν πως η σκοτεινή ύλη μπορεί να σχηματίζει μικρότερους όγκους/ συγκεντρώσεις από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν μια από τις πλέον θεμελιώδεις προβλέψεις της ευρύτερα αποδεκτής θεωρίας περί «ψυχρής σκοτεινής ύλης».

Όλοι οι γαλαξίες, σύμφωνα με τη συγκεκριμένη θεωρία, σχηματίζονται και ενσωματώνονται σε νέφη σκοτεινής ύλης. Η ίδια η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αργά κινούμενα, ή «ψυχρά» σωματίδια τα οποία ενώνονται για να σχηματίσουν δομές οι οποίες μπορεί να είναι από εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του γαλαξία μας μέχρι συγκεντρώσεις/ όγκους ασύλληπτα μικρότερες (σε αυτό το πλαίσιο, σημειώνεται πως το «ψυχρός» έχει να κάνει με την ταχύτητα των σωματιδίων).

Οι παρατηρήσεις αυτές του Hubble παρέχουν νέα στοιχεία σχετικά με τη φύση και τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης- μιας αόρατης μορφής ύλης από την οποία απαρτίζεται το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος και αποτελεί τη «σκαλωσιά»/ πλαίσιο όπου «χτίζονται» οι γαλαξίες. Αν και οι αστρονόμοι δεν είναι σε θέση να «δουν» τη σκοτεινή ύλη, μπορούν να ανιχνεύουν έμμεσα την παρουσία της μετρώντας πώς η βαρύτητά της επηρεάζει άστρα και γαλαξίες. Ο εντοπισμός των μικρότερων σχηματισμών σκοτεινής ύλης μέσω αναζήτησης άστρων που είναι ενσωματωμένα σε αυτούς είναι πολύ δύσκολος ή αδύνατος, επειδή περιέχουν πολύ λίγα άστρα.

Αν και συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης έχουν εντοπιστεί γύρω από μεγάλου και μεσαίου μεγέθους γαλαξίες, πολύ μικρότερες συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης δεν είχαν βρεθεί ως τώρα. Λόγω της απουσίας παρατηρήσεων τέτοιων συγκεντρώσεων, κάποιοι ερευνητές ανέπτυξαν εναλλακτικές θεωρίες, μεταξύ των οποίων η «θερμή σκοτεινή ύλη», σύμφωνα με την οποία τα σωματίδια σκοτεινής ύλης κινούνται γρήγορα και σε μεγάλες ταχύτητες, σχηματίζοντας μικρότερους σχηματισμούς. Οι νέες παρατηρήσεις δεν υποστηρίζουν αυτό το σενάριο, καθώς δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι «ψυχρότερη» από ό,τι θα έπρεπε να είναι στο πλαίσιο της εν λόγω θεωρίας.

This graphic illustrates how a faraway quasar's light is altered by a massive foreground galaxy and by tiny dark matter clumps along the light path. The galaxy's powerful gravity warps and magnifies the quasar's light, producing four distorted images of the quasar. The dark matter clumps reside along the Hubble Space Telescope's line of sight to the quasar, as well as within and around the foreground galaxy. The presence of the dark matter clumps alters the apparent brightness and position of each distorted quasar image by warping and slightly bending the light as it travels from the distant quasar to Earth, as represented by the wiggly lines in the graphic. Astronomers compared these measurements with predictions of how the quasar images would look without the influence of the dark matter clumps. The researchers used these measurements to calculate the masses of the tiny dark matter concentrations. Quadruple images of a quasar are rare because the background quasar and foreground galaxy require an almost perfect alignment. Credits: NASA, ESA and D. Player (STScI)

Η αναζήτηση συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης χωρίς άστρα είναι δύσκολη υπόθεση, ωστόσο η ερευνητική ομάδα του Hubble χρησιμοποίησε μια τεχνική στο πλαίσιο της οποίας δεν χρειαζόταν να αναζητηθούν βαρυτικές επιρροές ως ίχνη σκοτεινής ύλης. Οι επιστήμονες στόχευσαν οκτώ κβάζαρ (περιοχές γύρω από ενεργές μαύρες τρύπες που εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες φωτός) και μέτρησαν πώς το φως που εκπέμπεται από το οξυγόνο και το νέο που βρίσκονται γύρω από τις μαύρες τρύπες των κβάζαρ παραμορφώνεται από τη βαρύτητα ενός γιγαντιαίου γαλαξία, ο οποιος λειτούργησε ως «μεγεθυντικός φακός».

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα ανακάλυψε συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου προς τα κβάζαρ, καθώς και γύρω από τους ενδιάμεσους γαλαξίες. Οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που εντοπίστηκαν από το Hubble είναι από 1/10.000 μέχρι 1/100.000 φορές η μάζα της «στεφάνης» σκοτεινής ύλης του γαλαξία μας. Πολλές από αυτές τις μικρές συγκεντρώσεις δεν περιλαμβάνουν καν μικρούς γαλαξίες, και ως εκ τούτου θα ήταν αδύνατος ο εντοπισμός τους μέσω παραδοσιακών μεθόδων (αναζήτησης ενσωματωμένων άστρων).

Η παρουσία συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης μεταβάλλει τη φωτεινότητα και τη θέση της κάθε εικόνας κβάζαρ, και οι αστρονόμοι σύγκριναν αυτές τις μετρήσεις με τις προβλέψεις όσον αφορά στο πώς θα έμοιαζαν κανονικά, χωρίς την παραμόρφωση της σκοτεινής ύλης, οι εικόνες των κβάζαρ.

Ο αριθμός των μικροδομών που εντοπίστηκαν στο πλαίσιο της μελέτης παρέχει περισσότερα στοιχεία για τη φύση της σκοτεινής ύλης. Όπως είπε η Άννα Νίρενμπεργκ του JPL της NASA, επικεφαλής της έρευνας του Hubble, «οι ιδιότητες των σωματιδίων της ύλης επηρεάζουν το πώς σχηματίζονται πολλές συγκεντρώσεις. Αυτό σημαίνει πως μπορείς να μάθεις για τη σωματιδιακή φυσική της σκοτεινής ύλης μετρώντας τον αριθμό των μικρών συγκεντρώσεων».

Παρόλα αυτά, ο τύπος του σωματιδίου από το οποίο αποτελείται η σκοτεινή ύλη εξακολουθεί να αποτελεί μυστήριο. «Αυτή τη στιγμή δεν υπάρχουν απευθείας εργαστηριακά στοιχεία πως υπάρχουν σωματίδια σκοτεινής ύλης» εξήγησε άλλος ένας εκ των ερευνητών- ο Σάιμον Μπίρερ του UCLA. «Οι σωματιδιακοί φυσικοί δεν θα μιλούσαν καν για τη σκοτεινή ύλη εάν οι κοσμολόγοι δεν έλεγαν ότι υπάρχει, με βάση την παρατήρηση της επίδρασής της».

Πηγές: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7572 - https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/hubble-detects-smallest-known-dark-matter-clumps - https://www.naftemporiki.gr/story/1549406/eksixniazontas-ta-mustika-tis-skoteinis-ulis-brethikan-oi-mikroteres-gnostes-sugkentroseis-tis