Nowe dane Hubble'a sugerują, że w aktualnych teoriach ciemnej materii brakuje składnika
Obserwacje wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a i Bardzo Duży Teleskop (VLT) wykazały, że w teorii zachowania ciemnej materii może czegoś brakować. Ów brakujący składnik może wyjaśniać, dlaczego naukowcy odkryli nieoczekiwaną rozbieżność pomiędzy obserwacjami stężeń ciemnej materii w próbce masywnych gromad galaktyk a teoretycznymi symulacjami komputerowymi dotyczącymi rozkładu ciemnej materii w gromadach. Nowe odkrycia wskazują, że niektóre niewielkie skupiska ciemnej materii powodują efekt soczewkowania grawitacyjnego, który jest 10 razy silniejszy niż oczekiwano.
Ciemna materia to niewidzialny klej, który utrzymuje razem gwiazdy, pył i gaz w galaktyce. Ta tajemnicza substancja stanowi podstawę wielkoskalowej struktury Wszechświata. Ponieważ ciemna materia nie emituje, nie pochłania i nie odbija światła, jej obecność jest znana jedynie dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu widzialnej materii w przestrzeni. Astrofizycy i fizycy wciąż próbują ustalić, co to jest.
Gromady galaktyk, najmasywniejsze i niedawno zgrupowane struktury we Wszechświecie, są również największymi magazynami ciemnej materii. Gromady składają się z pojedynczych galaktyk, które są utrzymywane razem w dużej mierze przez grawitację ciemnej materii.
„Gromady galaktyk są idealnymi laboratoriami, w których można badać, czy dostępne obecnie symulacje numeryczne Wszechświata dobrze odtwarzają to, co możemy wywnioskować na podstawie soczewkowania grawitacyjnego. Przetestowaliśmy wiele danych w tym badaniu i jesteśmy pewni, że to niedopasowanie wskazuje, że brakuje jakiegoś składnika fizycznego albo w symulacjach, albo w naszym rozumieniu natury ciemnej materii” – powiedział Massimo Meneghetti z NAF-Observatory of Astrophysics and Space Science w Bolonii we Włoszech, główny autor badania.
Rozkład ciemnej materii w gromadach jest odwzorowany przez pomiar załamania światła – efekt soczewkowania grawitacyjnego – które wytwarzają. Grawitacja ciemnej materii skupiona w gromadach powiększa i zakrzywia światło z odległych obiektów tła, które pojawiają się na obrazach gromad. Soczewkowanie grawitacyjne często może również dawać wiele obrazów tej samej odległej galaktyki.
Im większe stężenie ciemnej materii w gromadzie, tym bardziej dramatyczny jest efekt zakrzywiania światła. Obecność mniejszych skupisk ciemnej materii związanych z poszczególnymi gromadami galaktyk zwiększa poziom zakrzywienia. W pewnym sensie gromada galaktyk działa jak wielka soczewka, w której osadzonych jest wiele mniejszych soczewek.
Najnowsze zdjęcia z Hubble’a zostały wykonane przez Wide Field Camera 3 i Advanced Camera for Surveys. W połączeniu z widmami z VLT, zespół stworzył dokładną mapę ciemnej materii. Mierząc zakrzywienia soczewkowania, astronomowie mogli prześledzić ilość i rozkład ciemnej materii. Trzy kluczowe gromady galaktyk, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 i Abell S1063, były częścią dwóch badań Hubble’a: The Frontier Fields oraz the Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble (CLASH).
Ku zaskoczeniu zespołu, oprócz dramatycznych łuków i wydłużonych właściwości odległych galaktyk wytworzonych przez soczewkowanie grawitacyjne każdej gromady, obrazy Hubble’a ukazały również nieoczekiwaną liczbę mniejszych łuków i zakrzywionych obrazów zagnieżdżonych w pobliżu jądra każdej gromady, gdzie rezydują galaktyki. Naukowcy są przekonani, że zagnieżdżone soczewki wytwarzane są przez grawitację gęstych skupisk materii wewnątrz poszczególnych galaktyk gromady. Dalsze obserwacje spektroskopowe mierzyły prędkość gwiazd krążących wewnątrz kilku gromad galaktyk, w celu ustalenia ich masy.
Łącząc obserwacje z Hubble’a ze spektroskopią z VLT, astronomowie byli w stanie zidentyfikować dziesiątki wielokrotnie obrazowanych, soczewkowanych galaktyk tła. Pozwoliło im to stworzyć dobrze skalibrowaną wysokiej rozdzielczości mapę rozkładu ciemnej materii w każdej gromadzie.
Zespół porównał mapy ciemnej materii z próbkami symulowanych gromad galaktyk o podobnych masach, znajdujących się w przybliżeniu w tych samych odległościach. Gromady w modelu komputerowym nie wykazały takiego samego poziomu koncentracji ciemnej materii w najmniejszych skalach – skalach powiązanych z poszczególnymi gromadami galaktyk.
Astronomowie z niecierpliwością czekają na dalsze badania ciemnej materii i jej tajemnic, aby w końcu określić jej naturę.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
