Hubble odkrywa najmniejsze znane skupiska ciemnej materii
Poszukując ciemnej materii astronomowie starają się dostrzec to co nieuchwytne - ciemna materia wszak jest substancją, której nie można dostrzec bezpośrednio mimo tego, że stanowi znaczną część masy wszechświata. Na swój sposób ciemna materia jest grawitacyjnym spoiwem, które utrzymuje strukturę galaktyk oraz gromad galaktyk.
Astronomowie dostrzegają jej obecność niebezpośrednio, mierząc jak jej grawitacja wpływa na gwiazdy i galaktyki.
Owa tajemnicza substancja nie składa się z tego samego, z czego składają się gwiazdy, planety czy ludzie, czyli z materii barionowej: elektronów, protonów i neutronów. Może ona natomiast składać się z jakichś nieznanych cząstek subatomowych, które słabo oddziałują z normalną materią.
Powszechnie przyjmowana teoria mówi, że cząstki ciemnej materii nie poruszają się zbyt szybko, dzięki czemu łatwiej im łączyć się w skupiska. Zgodnie z tą teorią, wszechświat składa się z szerokiej palety skupisk ciemnej materii, od małych do ogromnych.
Astronomowie odkryli już zagęszczenia ciemnej materii wokół dużych i średnich galaktyk.
Teraz dzięki teleskopowi Hubble'a i nowej technice obserwacyjnej, badacze odkryli, że ciemna materia zbiera się także w znacznie mniejsze skupiska niż wcześniej przypuszczano.
Badacze poszukiwali niewielkich zagęszczeń ciemnej materii w danych z Hubble'a, sprawdzając jak światło pochodzące z odległych kwazarów zniekształcane jest w trakcie podróży w przestrzeni kosmicznej.
Kwazary to jasne jądra bardzo odległych galaktyk zasilane przez czarne dziury. Zdjęcia z Hubble'a wskazują, że promieniowanie emitowane przez kwazary, a rejestrowane przez Hubble'a jest zniekształcane i powiększane przez grawitację masywnych galaktyk znajdujących się między nimi a nami, w procesie soczewkowania grawitacyjnego.
Astronomowie wykorzystali to zjawisko do wykrycia mniejszych zagęszczeń ciemnej materii. Takie zagęszczenia znajdują się na linii wzroku między nami a kwazarami, jak również wokół galaktyk soczewkujących.
Ciemna materia zbiera się w znacznie mniejsze zagęszczenia niż wcześniej obserwowano.
Wykorzystując kosmiczny teleskop Hubble'a oraz nową technikę obserwacyjną, astronomowie odkryli, że ciemna materia zbiera się w znacznie mniejsze zagęszczenia niż wcześniej obserwowano. Wyniki te potwierdzają jedno z fundamentalnych założeń powszechnie przyjmowanej teorii zimnej ciemnej materii.
Według tej teorii wszystkie galaktyki powstają w obłokach ciemnej materii. Sama ciemna materia składa się z powolnych („zimnych”) cząstek, które łączą się w struktury zarówno o masie setki tysięcy razy większej od masy Drogi Mlecznej, ale także takie o masie porównywalnej do Boeinga 747.
„Ciemna materia jest zimniejsza niż sądziliśmy w najmniejszej skali” - mówi Anna Nierenberg z JPL w Pasadenie. „Astronomowie przeprowadzali już inne obserwacyjne testy różnych teorii opisujących ciemną materię, ale nasze testy stanowią, jak dotąd, najsilniejsze potwierdzenie obecności niewielkich zagęszczeń zimnej ciemnej materii. Łącząc najnowsze przewidywania teoretyczne, narzędzia statystyczne oraz obserwacje za pomocą Hubble'a otrzymaliśmy najbardziej dotąd przekonujące wyniki”.
Poszukiwanie zagęszczeń ciemnej materii pozbawionych gwiazd okazało się nie lada wyzwaniem.
Zespół badawczy wykorzystał technikę, w której nie musiał przyglądać się wpływowi grawitacyjnemu ciemnej materii na gwiazdy. Zamiast tego badacze skupili się na ośmiu silnych i odległych „latarniach” kosmicznych, tzw. kwazarach.
Naukowcy zmierzyli jak promieniowanie emitowane przez gazowy tlen i neon, krążące wokół czarnych dziur w tych kwazarach, zakrzywiane jest przez grawitację masywnej galaktyki znajdującej się między kwazarem a nami i działającej jako soczewka grawitacyjna.
W ten sposób badacze odkryli zagęszczenia ciemnej materii wzdłuż linii łączącej kwazary z teleskopem, jak również wokół oraz wewnątrz galaktyk soczewkujących. Skupiska ciemnej materii wykryte za pomocą Hubble mają masę rzędu 1/10000 do 1/100000 masy ciemnej materii otaczającej Drogę Mleczną. Wiele z tych niewielkich zagęszczeń nie zawiera nawet małych galaktyk, przez co nie można byłoby ich wykryć bezpośrednio poszukując ich tradycyjnymi metodami.
Ustawienie ośmiu kwazarów i galaktyk soczewkujących jest dokładnie takie, że w wyniku soczewkowania grawitacyjnego, powstały po cztery zniekształcone obrazy każdego kwazara. Takie poczwórne obrazy kwazarów należą do rzadkości, bowiem oznaczają one ustawienie niemal w idealnej linii prostej Ziemi, galaktyki i kwazaru. Mimo to badacze potrzebowali wielu zdjęć, aby przeprowadzić bardziej szczegółową analizę.
Obecność zagęszczeń ciemnej materii zmienia jasność i położenie każdego zniekształconego obrazu kwazara. Astronomowie porównali te pomiary z przewidywaniami tego, jak kwazary wyglądałyby bez wpływu ciemnej materii. W tym celu badacze wykorzystali pomiary do obliczenia mas niewielkich zagęszczeń ciemnej materii.
„Wyobraźmy sobie, że każda z tych ośmiu galaktyk jest potężnym szkłem powiększającym” - tłumaczy Daniel Gilman z UCLA. „Niewielkie zagęszczenia ciemnej materii działają niczym niewielkie rysy na tym szkle powiększającym, przez co wpływają na jasność i położenie czterech obrazów kwazara, zmieniając je względem tego co byśmy otrzymali, gdyby na szkle nie było żadnych rys”.
Soczewki grawitacyjne odkryto w trakcie analizy danych z naziemnych przeglądów nieba, takich jak Sloan Digital Sky Survey czy Dark Energy Survey, które dostarczyły nam najbardziej szczegółowych, trójwymiarowych map wszechświata w historii. Kwazary oddalone są od nas średnio o 10 miliardów lat świetlnych. Leżące między nimi a nami galaktyki soczewkujące oddalone są od nas o 2 miliardy lat świetlnych.
Dalsze badania ciemnej materii naukowcy będą prowadzili za pomocą przyszłych teleskopów kosmicznych takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) czy Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), które będą obserwowały niebo w podczerwieni.
