Ένας νέος τρόπος «παρατήρησης» της σκοτεινής ύλης. Seeing dark matter in a new light

Καλλιτεχνική αναπαράσταση ενός γαλαξία περιβαλλόμενου από βαρυτικές παραμορφώσεις που οφείλονται στην σκοτεινή ύλη. Οι γαλαξίες «ζουν» μέσα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αόρατης σκοτεινής ύλης (χρώμα μωβ στην εικόνα). Όμως, τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης φαίνονται παρατηρώντας τις παραμορφώσεις των γαλαξιών που βρίσκονται στο υπόβαθρο. Artist's impression of a galaxy surrounded by gravitational distortions due to dark matter. Galaxies live inside larger concentrations of invisible dark matter (coloured purple in this image), however the dark matter's effects can be seen by looking at the deformations of background galaxies. Credit: Swinburne Astronomy Productions - James Josephides

Μια μικρή ομάδα αστρονόμων βρήκε ένα νέο τρόπο έμμεσης ανίχνευσης της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης που περιβάλλει του γαλαξίες. Η νέα τεχνική είναι 10 φορές ακριβέστερη από την καλύτερη παλαιότερη μέθοδο.

Οι φυσικοί εκτιμούν ότι έως και το 85% της μάζας του σύμπαντος είναι αόρατο. H σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, εφόσον δεν αλληλεπιδρά με το φως όπως η συνηθισμένη ύλη που απαρτίζει τα άστρα, τους πλανήτες, εμάς και ότι μας περιβάλλει.

Πώς μετράμε λοιπόν κάτι που δεν μπορούμε να δούμε; Αρκεί να μετρηθούν τα αποτελέσματα της βαρύτητας που παράγει η σκοτεινή ύλη.

Σύμφωνα με τον Pol Gurri, «είναι σαν να παρατηρείς μια σημαία και να προσπαθείς να καταλάβεις πόσος άνεμος υπάρχει. Δεν μπορείς να δεις τον άνεμο, αλλά η κίνηση της σημαίας μας λέει πόσο δυνατά φυσάει ο άνεμος».

Επεξεργασμένη εικόνα ενός σπειροειδούς γαλαξία, όπου φαίνεται καθώς η επίδραση του φαινομένου βαρυτικού φακού παραμορφώνει το πραγματικό σχήμα του γαλαξία. Μετρώντας την τροχιακή κίνηση του αερίου μέσα σε έναν μακρινό γαλαξία (με ροζ χρώμα στην εικόνα), οι βαρυτικές παραμορφώσεις μπορούν να μετρηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι ήταν δυνατόν στο παρελθόν. Processed image of a spiral galaxy, as might be observed after lensing effects have distorted the galaxy's true shape. By measuring the orbital motion of gas within a distant galaxy (seen here in pink), gravitational distortions can be measured much more precisely than was previously possible. Original image by ESA / Hubble & NASA / Flickr user Det58, image modification by Pol Gurri

Η νέα έρευνα επικεντρώνεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ασθενής βαρυτικός φακός, το οποίο είναι χαρακτηριστικό της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. «Η σκοτεινή ύλη θα στρεβλώνει λίγο την εικόνα οποιουδήποτε αντικειμένου βρίσκεται πίσω από αυτή», λέει ο Edward Taylor. «Eίναι σαν να διαβάζεις μια εφημερίδα που βρίσκεται κάτω από την βάση ενός ποτηριού κρασιού».

Photograph of the Australian National University (ANU) 2.3m telescope at Siding Spring Observatory. Credit: Australian National University

Το φαινόμενο του ασθενούς βαρυτικού φακού χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στην χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. Τώρα, ο αστρονόμος Gurri χρησιμοποιώντας το 2,3 μέτρων τηλεσκόπιο ANU (Australian National University) στην Αυστραλία μελέτησε, με βάση το ασθενές φαινόμενο βαρυτικού φακού, τον τρόπο περιστροφής των γαλαξιών.

«Επειδή υπολογίζουμε πως τα άστρα και το αέριο κινούνται μέσα στους γαλαξίες, γνωρίζουμε περίπου πως θα πρέπει να μοιάζει αυτός ο γαλαξίας», λέει ο Gurri. «Μετρώντας πόσο παραμορφωμένες είναι οι πραγματικές εικόνες του γαλαξία, τότε μπορούμε να καταλάβουμε πόση σκοτεινή ύλη απαιτείται για να εξηγήσουμε αυτό που βλέπουμε».

Η νέα έρευνα δείχνει πως αυτές οι πληροφορίες ταχύτητας επιτρέπουν μια πολύ πιο ακριβή μέτρηση του φαινομένου βαρυτικού φακού από ό,τι ήταν δυνατό μόνο με τη χρήση του σχήματος. «Με τη νέα μέθοδό μας παρατήρησης της σκοτεινή ύλη», συνεχίζει ο Gurri, «ελπίζουμε να πάρουμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για το που βρίσκεται η σκοτεινή ύλη και ποιος είναι ο ρόλος της στον σχηματισμό των γαλαξιών».

Οι μελλοντικές διαστημικές αποστολές, όπως τα διαστημικά τηλεσκόπια της NASA «Nancy Grace Roman» και το αντίστοιχο της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας «Ευκλείδης», έχουν σχεδιαστεί για να κάνουν και τέτοιου είδους μετρήσεις με βάση τα σχήματα εκατοντάδων εκατομμυρίων γαλαξιών. «Έχουμε δείξει ότι μπορούμε να συνεισφέρουμε δημιουργικά σε αυτές τις παγκόσμιες προσπάθειες με ένα σχετικά μικρό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε την δεκαετία του 1980, σκεπτόμενοι το πρόβλημα απλά με διαφορετικό τρόπο», προσθέτει ο Taylor.

Πηγές: “The first shear measurements from precision weak lensing”, P. Gurri, E.N. Taylor, C.J. Fluke, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2020), in press (https://doi.org/10.1093/mnras/staa2893) - https://ras.ac.uk/news-and-press/research-highlights/seeing-dark-matter-new-light - https://physicsgg.me/2020/11/07/