Οι αστρονόμοι ερευνούν το συστατικό που λείπει από τη σκοτεινή ύλη

Η κατανόησή μας για τη σκοτεινή ύλη και τη συμπεριφορά της θα μπορούσε να λείπει ένα βασικό συστατικό. Περισσότερος βαρυτικός φακός, η καμπυλότητα του χωροχρόνου και του φωτός από ογκώδη αντικείμενα, θα μπορούσε να οδηγήσει στην τέλεια συνταγή για την επίλυση αυτού του κοσμικού μυστηρίου.

Παρά το γεγονός ότι περιλαμβάνει μεταξύ 70-90% της συνολικής μάζας του Σύμπαντος και το γεγονός ότι η βαρυτική του επιρροή εμποδίζει κυριολεκτικά γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας να πετάξουν χώρια, η επιστήμη εξακολουθεί να βρίσκεται στο σκοτάδι σχετικά με τη σκοτεινή ύλη.

Καθώς ερευνητές σε όλο τον κόσμο ερευνούν τη φύση και τη σύνθεση αυτής της άπιαστης ουσίας, μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science υποδηλώνει ότι από τις θεωρίες της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να λείπει ένα κρίσιμο συστατικό, η έλλειψη του οποίου έχει εμποδίσει την κατανόησή μας για την ύλη που κυριολεκτικά συγκρατεί τους γαλαξίες.

Η παρουσία κάτι που λείπει από τις θεωρίες μας για τη σκοτεινή ύλη και η συμπεριφορά της προέκυψε από συγκρίσεις παρατηρήσεων των συγκεντρώσεων της σκοτεινής ύλης σε ένα δείγμα μαζικών σμηνών γαλαξιών και θεωρητικές προσομοιώσεις υπολογιστή για το πώς θα πρέπει να κατανέμεται η σκοτεινή ύλη σε τέτοιες συστάδες.

Χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις που έγιναν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και τη διάταξη Very Large Telescope (VLT) στην έρημο Atacama της βόρειας Χιλής, μια ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής τον Massimo Meneghetti του Παρατηρητηρίου Αστροφυσικής και Διαστημικής Επιστήμης INAF της Μπολόνια στην Η Ιταλία ανακάλυψε ότι μικρής κλίμακας σμήνη σκοτεινής ύλης φαίνεται να προκαλούν φαινόμενα φακού που είναι 10 φορές μεγαλύτερα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

«Τα σμήνη γαλαξιών είναι ιδανικά εργαστήρια στα οποία μπορούμε να μελετήσουμε εάν οι αριθμητικές προσομοιώσεις του Σύμπαντος που είναι διαθέσιμες αυτήν τη στιγμή αναπαράγουν καλά αυτό που μπορούμε να συμπεράνουμε από τον βαρυτικό φακό», λέει ο Meneghetti. "Έχουμε κάνει πολλές δοκιμές των δεδομένων σε αυτήν τη μελέτη και είμαστε σίγουροι ότι αυτή η αναντιστοιχία δείχνει ότι κάποιο φυσικό συστατικό λείπει είτε από τις προσομοιώσεις είτε από την κατανόησή μας για τη φύση της σκοτεινής ύλης."

Απλώς προσθέστε βαρυτικό φακό

Ο φακός που η ομάδα πιστεύει ότι εξηγεί τις αποκλίσεις της σκοτεινής ύλης είναι ένας παράγοντας της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν που υποδηλώνει ότι η βαρύτητα είναι στην πραγματικότητα μια επίδραση που έχει η μάζα στον χωροχρόνο. Η πιο κοινή αναλογία που δίνεται για αυτό το εφέ είναι η παραμόρφωση που δημιουργείται σε ένα τεντωμένο ελαστικό φύλλο όταν τοποθετείται πάνω του μια μπάλα μπόουλινγκ.

Αυτό το φαινόμενο στο διάστημα που προκύπτει από ένα αστέρι ή ακόμα και έναν γαλαξία που καμπυλώνει τον χώρο και έτσι κάμπτει τη διαδρομή του φωτός καθώς περνά από το αντικείμενο. Διαφορετικά γνωστό ως βαρυτικός φακός, παρατηρείται συνήθως όταν ένα αντικείμενο φόντου –που θα μπορούσε να είναι τόσο μικρό όσο ένα αστέρι ή μεγάλο όσο ένας γαλαξίας– κινείται μπροστά από ένα αντικείμενο στο προσκήνιο και καμπυλώνει το φως από αυτό δίνοντάς του μια εμφανή θέση στον ουρανό.

Σε ακραίες περιπτώσεις, όπου αυτός ο φακός κάνει τα μονοπάτια του φωτός να αλλάζουν με τέτοιο τρόπο ώστε ο χρόνος άφιξής του σε έναν παρατηρητή να είναι διαφορετικός, μπορεί να προκαλέσει την εμφάνιση ενός αντικειμένου φόντου στον νυχτερινό ουρανό σε διάφορα διαφορετικά σημεία. Ένα όμορφο παράδειγμα αυτού είναι ένα δαχτυλίδι του Αϊνστάιν, όπου ένα μεμονωμένο αντικείμενο εμφανίζεται πολλές φορές σχηματίζοντας μια διάταξη σαν δακτύλιο.

Επειδή η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας, αγνοώντας ακόμη και τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις — άρα γιατί δεν μπορεί να φανεί — ο βαρυτικός φακός είναι επί του παρόντος ο καλύτερος τρόπος για να συμπεράνουμε την παρουσία της και να χαρτογραφήσουμε τη θέση των σμηνών της σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες.

Επιστρέφοντας στην αναλογία «λαστιχένιο φύλλο» από πάνω, όπως μπορείτε να φανταστείτε, μια βολίδα θα κάνει ένα πιο ακραίο «τρύπωμα» στο φύλλο από μια μπάλα μπόουλινγκ, που με τη σειρά της κάνει μεγαλύτερο βαθούλωμα από μια μπάλα του γκολφ. Ομοίως, όσο μεγαλύτερο είναι το σύμπλεγμα της σκοτεινής ύλης — τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα — τόσο πιο ακραία είναι η καμπυλότητα του διαστήματος και επομένως και του φωτός.

Αλλά τώρα φανταστείτε τι θα γινόταν αν η μπάλα του μπόουλινγκ στο λαστιχένιο φύλλο περιβαλλόταν από μάρμαρα. Αν και οι μεμονωμένες παραμορφώσεις τους μπορεί να είναι μικρές, η σωρευτική τους επίδραση μπορεί να είναι σημαντική. Η ομάδα πιστεύει ότι αυτό μπορεί να συμβαίνει με μικρότερα σμήνη σκοτεινής ύλης. Αυτές οι μικρές συστάδες σκοτεινής ύλης ενισχύουν τη συνολική παραμόρφωση. Κατά κάποιο τρόπο, αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μεγάλος φακός με μικρότερους φακούς ενσωματωμένους μέσα του.

Cooking Up a High-Fidelity Dark Matter Map

Η ομάδα των αστρονόμων μπόρεσε να δημιουργήσει έναν χάρτη σκοτεινής ύλης υψηλής πιστότητας χρησιμοποιώντας εικόνες που τραβήχτηκαν από την κάμερα ευρέος πεδίου 3 του Hubble και το Advanced Camera Survey συνδυασμένα φασματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν από το Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο (ESO) VLT. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον χάρτη, και εστιάζοντας σε τρία βασικά συμπλέγματα——MACS J1206.2–0847, MACS J0416.1–2403 και Abell S1063— —οι ερευνητές παρακολούθησαν τις παραμορφώσεις του φακού και από εκεί εντόπισαν την ποσότητα της σκοτεινής ύλης και τον τρόπο κατανομής της .

«Τα δεδομένα από το Hubble και το VLT παρείχαν εξαιρετική συνέργεια», λέει το μέλος της ομάδας Piero Rosati, Università Degli Studi di Ferrara στην Ιταλία. "Καταφέραμε να συσχετίσουμε τους γαλαξίες με κάθε σμήνος και να υπολογίσουμε τις αποστάσεις τους."

Αυτό οδήγησε την ομάδα στην αποκάλυψη ότι εκτός από τα δραματικά τόξα και τα επιμήκη χαρακτηριστικά των μακρινών γαλαξιών που παράγονται από τον βαρυτικό φακό κάθε σμήνος, οι εικόνες του Hubble δείχνουν επίσης κάτι εντελώς απροσδόκητο – έναν αριθμό τόξων μικρότερης κλίμακας και παραμορφωμένες εικόνες φωλιασμένες κοντά σε κάθε σμήνος πυρήνα, όπου βρίσκονται οι πιο ογκώδεις γαλαξίες.

Η ομάδα πιστεύει ότι αυτοί οι ένθετοι φακοί δημιουργούνται από πυκνές συγκεντρώσεις ύλης στο κέντρο μεμονωμένων γαλαξιών σμήνων. Χρησιμοποίησαν επακόλουθες φασματοσκοπικές παρατηρήσεις για να μετρήσουν την ταχύτητα των αστεριών μέσα σε αυτά τα σμήνη και μέσω μιας μεθόδου υπολογισμού που είναι γνωστή ως ιικό θεώρημα, επιβεβαίωσαν τις μάζες αυτών των σμηνών και με τη σειρά τους την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που περιέχουν.

Αυτή η συγχώνευση παρατηρήσεων από αυτές τις διαφορετικές πηγές επέτρεψε στην ομάδα να αναγνωρίσει δεκάδες γαλαξίες με φακό φόντου που απεικονίστηκαν πολλές φορές. Στη συνέχεια, οι ερευνητές πήραν αυτόν τον χάρτη της σκοτεινής ύλης υψηλής πιστότητας και τον συνέκριναν με δείγματα προσομοιωμένων σμηνών γαλαξιών με παρόμοια μάζα, που βρίσκονται σε περίπου τις ίδιες αποστάσεις.

Αυτά τα προσομοιωμένα σμήνη γαλαξιών δεν εμφάνισαν τις ίδιες συγκεντρώσεις σμηνών σκοτεινής ύλης — τουλάχιστον όχι σε μικρή κλίμακα που σχετίζεται με μεμονωμένους γαλαξίες σμήνων.

Η ανακάλυψη αυτής της ανισότητας θα βοηθήσει τους αστρονόμους να σχεδιάσουν καλύτερα μοντέλα προσομοίωσης υπολογιστή και έτσι να αναπτύξουν μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζεται σμήνη σκοτεινής ύλης. Αυτή η βελτιωμένη κατανόηση μπορεί τελικά να οδηγήσει στην ανακάλυψη του τι είναι στην πραγματικότητα αυτή η άφθονη και κυρίαρχη μορφή ύλης.

Πρωτότυπη έρευνα:Meheghetti. Μ., Νταβόλη. G., Bergamini. P., et al, «Περισσότερα βαρυτικών φακών μικρής κλίμακας που παρατηρείται σε σμήνη γαλαξιών», Science, [2020],