Η σκοτεινή ύλη γίνεται ακόμα πιο μυστηριώδης. Hubble Observations Suggest a Missing Ingredient in Dark Matter Theories

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι κάτι λείπει στην καθιερωμένη κοσμική συνταγή για το πώς συμπεριφέρεται η σκοτεινή ύλη. Ανακάλυψαν μια ασυμφωνία μεταξύ των θεωρητικών μοντέλων για το πως κατανέμεται η σκοτεινή ύλη στα σμήνη γαλαξιών και των παρατηρησιακών δεδομένων που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της κατανομής της. Φωτογραφία του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble που δείχνει το τεράστιο σμήνος γαλαξιών MACS J1206. This Hubble Space Telescope image shows the massive galaxy cluster MACS J1206. Embedded within the cluster are the distorted images of distant background galaxies, seen as arcs and smeared features. These distortions are caused by the amount of dark matter in the cluster, whose gravity bends and magnifies the light from faraway galaxies. This effect, called gravitational lensing, allows astronomers to study remote galaxies that would otherwise be too faint to see. Several of the cluster galaxies are sufficiently massive and dense to also distort and magnify faraway sources. The galaxies in the three pullouts represent examples of such effects. In the snapshots at upper right and bottom, two distant, blue galaxies are lensed by the foreground, redder cluster galaxies, forming rings and multiple images of the remote objects. The red blobs around the galaxy at upper left denote emission from clouds of hydrogen in a single distant source. The source, seen four times because of lensing, may be a faint galaxy. These blobs were detected by the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at the European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) in Chile. The blobs do not appear in the Hubble images. MACS J1206 is part of the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) and is one of three galaxy clusters the researchers studied with Hubble and the VLT. The Hubble image is a combination of visible- and infrared-light observations taken in 2011 by the Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3. Credits: NASA, ESA, P. Natarajan (Yale University), G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), the CLASH-VLT/Zooming teams; acknowledgment: NASA, ESA, M. Postman (STScI), the CLASH team

Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει, ούτε απορροφά φως. Γι αυτό η παρουσία της είναι γνωστή μόνο διαμέσου των βαρυτικών αλληλεπιδράσεών της με την ορατή ύλη. Ένας τρόπος εντοπισμού της σκοτεινής ύλης είναι το φαινόμενο του βαρυτικού φακού.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης μικρής κλίμακας στα σμήνη γαλαξιών παράγουν βαρυτικά φαινόμενα που είναι 10 φορές ισχυρότερα από τα αναμενόμενα. Αυτές οι διαπιστώσεις βασίζονται σε λεπτομερέστατες παρατηρήσεις διαφόρων γαλαξιακών σμηνών που έγιναν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA και το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στη Χιλή.

Τα σμήνη γαλαξιών, οι μεγαλύτερες δομές στο σύμπαν αποτελούμενες από πολλούς μεμονωμένους γαλαξίες, είναι οι μεγαλύτερες «αποθήκες» σκοτεινής ύλης. Όχι μόνο συγκρατούνται μεταξύ τους εξαιτίας της βαρύτητας της σκοτεινής ύλης που κατανέμεται σε όλη την έκταση του σμήνους, αλλά και την σκοτεινή ύλη που περιέχουν οι μεμονωμένοι γαλαξίες των σμηνών. Επομένως, η σκοτεινή ύλη κατανέμεται σε μεγάλες και μικρές κλίμακες.

Η χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης στα σμήνη γαλαξιών γίνεται χρησιμοποιώντας την κάμψη του φωτός εξαιτίας του φαινομένου βαρυτικού φακού που η ίδια δημιουργεί. Η βαρύτητα της σκοτεινής ύλης μεγεθύνει και στρεβλώνει το φως που προέρχεται από μακρινά αντικείμενα του υποβάθρου, όπως ένας γυάλινος φακός. Μετρώντας τις παραμορφώσεις που οφείλονται στο φαινόμενο βαρυτικού φακού οι αστρονόμοι προσδιορίζουν την ποσότητα και την κατανομή της σκοτεινής που παρεμβάλλεται.

Astronomers seem to have revealed a puzzling detail in the way dark matter behaves. They found small, dense concentrations of dark matter that bend and magnify light much more strongly than expected. Credits: NASA's Goddard Space Flight Center

Τα σμήνη των γαλαξιών είναι ιδανικά εργαστήρια για να κατανοήσουμε μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστές την συμπεριφορά και τις αλληλεπιδράσεις της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης. Πραγματοποιώντας τέτοιες προσομοιώσεις ο ερευνητές βρήκαν αναντιστοιχίες με τα παρατηρησιακά δεδομένα. Η προέλευση αυτής της ασυμφωνίας μπορεί να οφείλεται στο ότι κάτι λείπει από την φυσική στην οποία βασίστηκε η προσομοίωση. Ίσως, για παράδειγμα, η ιδέα ότι η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που «αισθάνεται» η σκοτεινή ύλη να είναι λανθασμένη…

Πηγές: https://science.sciencemag.org/content/369/6509/1347 - https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/hubble-observations-suggest-a-missing-ingredient-in-dark-matter-theories - https://physicsgg.me/2020/09/11/