Το Hubble εντοπίζει τις μικρότερες γνωστές συστάδες σκοτεινής ύλης

Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA και μια νέα τεχνική παρατήρησης, οι αστρονόμοι έχουν βρει ότι η σκοτεινή ύλη σχηματίζει πολύ μικρότερες δέσμες από ό, τι ήταν γνωστό. Αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιώνει μία από τις θεμελιώδεις προβλέψεις της ευρέως αποδεκτής θεωρίας «ψυχρής σκοτεινής ύλης».

Όλοι οι γαλαξίες, σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, σχηματίζονται και είναι ενσωματωμένοι μέσα σε σύννεφα σκοτεινής ύλης. Η ίδια η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αργά-κινούμενα ή “ψυχρά” σωματίδια που συναντώνται για να σχηματίσουν δομές που κυμαίνονται από εκατοντάδες χιλιάδες φορές τη μάζα του Γαλαξία μας, ώστε να μην συσσωρεύονται πλέον μαζικά από το κούμπωμα ενός εμπορικού αεροπλάνου. (Σε αυτό το πλαίσιο, το “κρύο” αναφέρεται στην ταχύτητα των σωματιδίων.)

Η παρατήρηση του Hubble δίνει νέες ιδέες για τη φύση της σκοτεινής ύλης και για το πώς συμπεριφέρεται. “Κάναμε μια πολύ συναρπαστική δοκιμασία παρατήρησης για το μοντέλο κρύας σκοτεινής ύλης και περνάει με τα χρώματα”, δήλωσε ο Tommaso Treu από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Λος Άντζελες (UCLA), μέλος της παρατηρητικής ομάδας.

Η σκοτεινή ύλη είναι μια αόρατη μορφή ύλης που συνθέτει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος και δημιουργεί τη σκαλωσιά πάνω στα οποία κατασκευάζονται οι γαλαξίες. Αν και οι αστρονόμοι δεν μπορούν να δουν τη σκοτεινή ύλη, μπορούν να ανιχνεύσουν έμμεσα την παρουσία τους μετρώντας πως η βαρύτητά τους επηρεάζει τα αστέρια και τους γαλαξίες. Η ανίχνευση των μικρότερων σχηματισμών σκοτεινής ύλης αναζητώντας ενσωματωμένα αστέρια μπορεί να είναι δύσκολη ή αδύνατη, επειδή περιέχει πολύ λίγα αστέρια.

Ενώ οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης έχουν ανιχνευθεί γύρω από τους μεγάλους και μεσαίου μεγέθους γαλαξίες, μέχρι τώρα δεν έχουν βρεθεί πολύ μικρότερες δέσμες σκοτεινής ύλης. Ελλείψει παρατηρητικών αποδείξεων για τέτοιες μικρές συστάδες, ορισμένοι ερευνητές έχουν αναπτύξει εναλλακτικές θεωρίες, συμπεριλαμβανομένης της “θερμής σκοτεινής ύλης”. Αυτή η ιδέα υποδηλώνει ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης κινούνται γρήγορα, φτάνουν πολύ γρήγορα για να συγχωνευθούν και να σχηματίσουν μικρότερες συγκεντρώσεις. Οι νέες παρατηρήσεις δεν υποστηρίζουν αυτό το σενάριο, διαπιστώνοντας ότι η σκοτεινή ύλη είναι “πιο κρύα” από ότι θα έπρεπε να είναι στην εναλλακτική θεωρία θερμής σκοτεινής ύλης.

“Η σκοτεινή ύλη είναι ψυχρή από όσο γνωρίζαμε σε μικρότερες κλίμακες”, δήλωσε η Άννα Nierenberg από το εργαστήριο Jet Propulsion της NASA στην Πασαντένα, Καλιφόρνια, ηγέτης της έρευνας Hubble. “Οι αστρονόμοι έχουν πραγματοποιήσει άλλες παρατηρητικές δοκιμές των θεωριών σκοτεινής ύλης πριν, αλλά η δική μας παρέχει τα ισχυρότερα στοιχεία για την παρουσία μικρών συσσωματωμάτων ψυχρής σκοτεινής ύλης. Συνδυάζοντας τις τελευταίες θεωρητικές προβλέψεις, τα στατιστικά εργαλεία και τις νέες παρατηρήσεις του Hubble, έχουμε τώρα πολύ πιο ισχυρό αποτέλεσμα από ό, τι ήταν δυνατό στο παρελθόν. “

Το κυνήγι για συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που στερούνται άστρων αποδείχθηκε πρόκληση. Η ερευνητική ομάδα του Hubble, ωστόσο, χρησιμοποίησε μια τεχνική στην οποία δεν χρειάστηκε να αναζητήσουν την βαρυτική επίδραση των αστεριών ως ιχνοθέτες της σκοτεινής ύλης. Η ομάδα στόχευσε οκτώ ισχυρά και μακρινά κοσμικά “φώτα του δρόμου”, που ονομάζονται quasars (περιοχές γύρω από τις ενεργές μαύρες τρύπες που εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες φωτός). Οι αστρονόμοι μέτρησαν πώς το φως που εκπέμπεται από το οξυγόνο και το αέριο νέον που περιστρέφεται γύρω από κάθε μαύρη τρύπα του κβάζαρ είναι στρεβλωμένο από τη βαρύτητα ενός μαζικού γαλαξία στο προσκήνιο που λειτουργεί ως μεγεθυντικός φακός.

φωτεινά κβάζαρ "κουκκίδες" ενάντια στο μαύρο φόντο του χώρου
Κάθε ένα από αυτά τα στιγμιότυπα του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Χαμπλ αποκαλύπτει τέσσερις παραμορφωμένες εικόνες ενός κβάζαρ υπόβαθρου και του γαλαξία του που περιβάλλει τον κεντρικό πυρήνα ενός μαζικού γαλαξία στο προσκήνιο. Η βαρύτητα του μαζικού γαλαξία του προσκηνίου ενεργεί σαν μεγεθυντικός φακός, στρεβλώντας το φως του κβάζαρ σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται βαρυτικός φακός. Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά μακρινά κοσμικά φωτιστικά που παράγονται από ενεργές μαύρες τρύπες. Τέτοιες τετραπλές εικόνες από κβάζαρ είναι σπάνιες λόγω της σχεδόν ακριβούς ευθυγράμμισης που απαιτείται ανάμεσα στον γαλαξία του προσκηνίου και το quasar του φόντου. Οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το φαινόμενο της βαρυτικής επικάλυψης για να ανιχνεύσουν τις μικρότερες δέσμες σκοτεινής ύλης που βρέθηκαν ποτέ. Οι συστάδες βρίσκονται κατά μήκος της οπτικής επαφής του τηλεσκοπίου με τα κβάζαρ, καθώς και γύρω από τους πρώτους γαλαξίες φακού. Η παρουσία των συγκεντρώσεων της σκοτεινής ύλης μεταβάλλει την φαινομενική φωτεινότητα και τη θέση κάθε παραμορφωμένης εικόνας κβάζαρ. Οι αστρονόμοι συνέκριναν αυτές τις μετρήσεις με προβλέψεις για τον τρόπο εμφάνισης των εικόνων του κβάζαρ χωρίς την επίδραση των σβώλων της σκοτεινής ύλης. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτές τις μετρήσεις για να υπολογίσουν τις μάζες των μικροσκοπικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης. Η ευρεία κάμερα 3 του Hubble συγκέντρωσε το εγγύς υπέρυθρο φως από κάθε κβάζαρ και το διασκόρπισε στα συστατικά του χρώματα για μελέτη με φασματοσκοπία. Οι εικόνες λήφθηκαν μεταξύ 2015 και 2018. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτές τις μετρήσεις για να υπολογίσουν τις μάζες των μικροσκοπικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης. Η ευρεία κάμερα 3 του Hubble συγκέντρωσε το εγγύς υπέρυθρο φως από κάθε κβάζαρ και το διασκόρπισε στα συστατικά του χρώματα για μελέτη με φασματοσκοπία. Οι εικόνες λήφθηκαν μεταξύ 2015 και 2018. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτές τις μετρήσεις για να υπολογίσουν τις μάζες των μικροσκοπικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης. Η ευρεία κάμερα 3 του Hubble συγκέντρωσε το εγγύς υπέρυθρο φως από κάθε κβάζαρ και το διασκόρπισε στα συστατικά του χρώματα για μελέτη με φασματοσκοπία. Οι εικόνες λήφθηκαν μεταξύ 2015 και 2018.
Πιστωτικές μονάδες: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) και Τ. Treu (UCLA)

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα αποκάλυψε τη συσσωμάτωση της σκοτεινής ύλης κατά μήκος της οπτικής επαφής του τηλεσκοπίου με τα κβάζαρ, καθώς και μέσα και γύρω από τους παρεμβαλλόμενους φακούς γαλαξίας. Οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που ανιχνεύονται από το Hubble είναι 1 / 10,000th έως 1 / 100,000th φορές η μάζα του φωτοστέφανος της Γαλαξίας. Πολλές από αυτές τις μικροσκοπικές ομάδες πιθανότατα δεν περιέχουν ούτε μικροί γαλαξίες και συνεπώς θα ήταν αδύνατο να εντοπιστούν με την παραδοσιακή μέθοδο αναζήτησης ενσωματωμένων αστεριών.

Τα οκτώ κβάζαρ και οι γαλαξίες ευθυγραμμίστηκαν τόσο με ακρίβεια ώστε το φαινόμενο στρέβλωσης, που ονομάζεται βαρυτικός φακός, παρήγαγε τέσσερις παραμορφωμένες εικόνες κάθε κβάζαρ. Το αποτέλεσμα είναι σαν να κοιτάς έναν καθρέφτη φαντασίας. Τέτοιες τετραπλές εικόνες από κβάζαρ είναι σπάνιες λόγω της σχεδόν ακριβούς ευθυγράμμισης που απαιτείται ανάμεσα στον γαλαξία του προσκηνίου και το quasar του φόντου. Ωστόσο, οι ερευνητές χρειάστηκαν τις πολλαπλές εικόνες για να διεξαγάγουν μια πιο λεπτομερή ανάλυση.

Η παρουσία των σβώλων της σκοτεινής ύλης μεταβάλλει την εμφανή φωτεινότητα και τη θέση της κάθε παραμορφωμένης εικόνας κβάζαρ. Οι αστρονόμοι συνέκριναν αυτές τις μετρήσεις με προβλέψεις για τον τρόπο εμφάνισης των εικόνων κβάζαρ χωρίς την επίδραση της σκοτεινής ύλης. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις μετρήσεις για να υπολογίσουν τις μάζες των μικροσκοπικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης. Για να αναλύσουν τα δεδομένα, οι ερευνητές ανέπτυξαν επίσης επεξεργασμένα προγράμματα πληροφορικής και εντατικές τεχνικές ανασυγκρότησης.

“Φανταστείτε ότι ο καθένας από αυτούς τους οκτώ γαλαξίες είναι ένας γιγαντιαίος μεγεθυντικός φακός”, εξήγησε ο μέλος της ομάδας Daniel Gilman της UCLA. “Οι μικρές συστάδες σκοτεινής ύλης δρουν ως μικρές ρωγμές στο μεγεθυντικό φακό, αλλάζοντας τη φωτεινότητα και τη θέση των τεσσάρων εικόνων quasar σε σύγκριση με αυτό που θα περίμενε κανείς αν το ποτήρι ήταν ομαλό”.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη φωτογραφική μηχανή μεγάλου πεδίου 3 του Hubble για να συλλάβουν το εγγύς υπέρυθρο φως από κάθε κβάζαρ και να το διασκορπίσουν στα συστατικά του χρώματα για μελέτη με φασματοσκοπία. Μοναδικές εκπομπές από τα κβάζαρ του περιβάλλοντος παρατηρούνται καλύτερα στο υπέρυθρο φως. “Οι παρατηρήσεις του Hubble από το διάστημα μας επιτρέπουν να κάνουμε αυτές τις μετρήσεις σε συστήματα γαλαξιών που δεν θα είναι προσβάσιμα με τη χαμηλότερη ανάλυση των επίγειων τηλεσκοπίων – και η ατμόσφαιρα της Γης είναι αδιαφανής από το υπέρυθρο φως που πρέπει να παρατηρήσουμε”, εξήγησε ο Simon Birrer, UCLA.

Ο Τρέου πρόσθεσε: “Είναι απίστευτο το γεγονός ότι μετά από σχεδόν 30 χρόνια λειτουργίας, το Hubble δίνει τη δυνατότητα σε αιχμηρές απόψεις στη θεμελιώδη φυσική και στη φύση του σύμπαντος που δεν ονειρευόμασταν καν όταν το τηλεσκόπιο ξεκίνησε”.

Οι βαρυτικοί φακοί ανακαλύφθηκαν με κοσκίνισμα μέσω επίγειων ερευνών όπως η Sloan Digital Sky Survey και Dark Energy Survey, οι οποίες παρέχουν τους πιο λεπτομερείς τρισδιάστατους χάρτες του σύμπαντος που έγινε ποτέ. Τα κβάζαρ βρίσκονται περίπου 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. τους πρώτους γαλαξίες, περίπου 2 δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Ο αριθμός των μικρών δομών που εντοπίστηκαν στη μελέτη προσφέρει περισσότερες ενδείξεις σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης. “Οι ιδιότητες των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης επηρεάζουν πόσες μάζες σχηματίζονται”, εξηγεί ο Nierenberg. “Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να μάθετε για τη σωματιδιακή φυσική της σκοτεινής ύλης μετρώντας τον αριθμό των μικρών συστάδων.”

Ωστόσο, ο τύπος του σωματιδίου που σχηματίζει τη σκοτεινή ύλη εξακολουθεί να είναι ένα μυστήριο. “Προς το παρόν, δεν υπάρχει άμεση απόδειξη στο εργαστήριο ότι υπάρχουν σωματίδια σκοτεινής ύλης”, δήλωσε ο Birrer. «Όταν οι κοσμολόγοι μιλάνε για τη σκοτεινή ύλη, ρωτάμε« πώς κυβερνά την εμφάνιση του σύμπαντος, και σε ποιες κλίμακες; »

Οι αστρονόμοι θα είναι σε θέση να διεξάγουν μελέτες παρακολούθησης της σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας μελλοντικά διαστημικά τηλεσκόπια της NASA, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb και το ευρυγώνιο υπέρυθρο τηλεχειριστήριο (WFIRST), και τα δύο υπέρυθρα παρατηρητήρια. Ο Webb θα είναι σε θέση να επιτύχει αποτελεσματικά αυτές τις μετρήσεις για όλα τα γνωστά τετράγωνα quasars. Η ευκρίνεια του WFIRST και το μεγάλο οπτικό πεδίο θα βοηθήσουν τους αστρονόμους να κάνουν παρατηρήσεις σε ολόκληρη την περιοχή του χώρου που επηρεάζεται από το τεράστιο πεδίο βαρύτητας των μαζικών γαλαξιών και των συστάδων των γαλαξιών. Αυτό θα βοηθήσει τους ερευνητές να αποκαλύψουν πολλά περισσότερα από αυτά τα σπάνια συστήματα.

Η ομάδα θα παρουσιάσει τα αποτελέσματά της στην  235η συνεδρίαση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας  στη Χονολουλού της Χαβάης.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble είναι ένα έργο διεθνούς συνεργασίας μεταξύ της NASA και της ESA (European Space Agency). Το διαστημικό πτήση Goddard Space Flight της NASA στο Greenbelt, Maryland, διαχειρίζεται το τηλεσκόπιο. Το Επιστημονικό Ινστιτούτο Διαστημικού Τηλεσκοπίου (STScI) στη Βαλτιμόρη, Μέριλαντ, διεξάγει επιχειρήσεις επιστήμης Hubble. Το STScI λειτουργεί για τη NASA από την Ένωση Πανεπιστημίων για την Έρευνα στην Αστρονομία στην Ουάσιγκτον, DC

Αυτό το γραφικό δείχνει πώς το φως του μακρινού κβάζαρ μεταβάλλεται από έναν τεράστιο γαλαξία στο προσκήνιο και από μικροσκοπικές συστάδες σκοτεινής ύλης κατά μήκος του φωτεινού μονοπατιού. Η ισχυρή βαρύτητα του γαλαξία στρεβλώνει και μεγεθύνει το φως του κβάζαρ, παράγοντας τέσσερις παραμορφωμένες εικόνες του κβάζαρ. Οι συστάδες της σκοτεινής ύλης διαμένουν κατά μήκος της οπτικής επαφής του διαστημικού τηλεσκοπίου του Hubble με το κβάζαρ, καθώς και μέσα και γύρω από τον γαλαξία του προσκηνίου. Η παρουσία των σβώλων της σκοτεινής ύλης μεταβάλλει την εμφανή φωτεινότητα και τη θέση κάθε παραμορφωμένης εικόνας κβάζαρ, στρεβλώντας και ελαφρώς κάμπτοντας το φως, καθώς ταξιδεύει από το μακρινό κβάζαρ στη Γη, όπως αντιπροσωπεύεται από τις παραμορφωμένες γραμμές στο γραφικό. Οι αστρονόμοι συνέκριναν αυτές τις μετρήσεις με προβλέψεις για τον τρόπο εμφάνισης των εικόνων του κβάζαρ χωρίς την επίδραση των σβώλων της σκοτεινής ύλης. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτές τις μετρήσεις για να υπολογίσουν τις μάζες των μικροσκοπικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης. Οι τετραπλές εικόνες ενός κβάζαρ είναι σπάνιες επειδή ο κβάζαρ φόντο και ο γαλαξίας του προσκηνίου απαιτούν σχεδόν τέλεια ευθυγράμμιση.
Πιστώσεις: NASA, ESA και D. Player (STScI)

πηγή: nasa.gov