Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και μια νέα τεχνική παρατήρησης, οι αστρονόμοι έχουν βρει ότι η σκοτεινή ύλη σχηματίζει πολύ μικρότερες συγκεντρώσεις από ό, τι ήταν γνωστό. Αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιώνει μία από τις θεμελιώδεις προβλέψεις της ευρέως αποδεκτής θεωρίας της «ψυχρής σκοτεινής ύλης».
Αυτό το γραφικό δείχνει πώς το φως του μακρινού κβάζαρ (στο φόντο – background) στρεβλώνεται από έναν τεράστιο γαλαξία που βρίσκεται πιο κοντά μας (στο προσκήνιο) και από μικροσκοπικές συστάδες σκοτεινής ύλης κατά μήκος της φωτεινής δέσμης. Η ισχυρή βαρύτητα του γαλαξία στρεβλώνει και μεγεθύνει το φως του κβάζαρ, παράγοντας τέσσερις παραμορφωμένες εικόνες του κβάζαρ. Οι συστάδες – συγκεντρώσεις της σκοτεινής ύλης βρίσκονται κατά μήκος της οπτικής επαφής του Hubble με το κβάζαρ, καθώς και μέσα και γύρω από τον γαλαξία του προσκηνίου (foreground). Η παρουσία των σβώλων της σκοτεινής ύλης μεταβάλλει την εμφανή φωτεινότητα και τη θέση κάθε παραμορφωμένης εικόνας του κβάζαρ, στρεβλώντας και ελαφρώς κάμπτοντας το φως καθώς ταξιδεύει από το μακρινό κβάζαρ προς τη Γη, όπως αντιπροσωπεύεται από τις παραμορφωμένες γραμμές στο πιο πάνω γραφικό.
Όλοι οι γαλαξίες, σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, σχηματίζονται και είναι ενσωματωμένοι μέσα σε νέφη 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 δικού μας Γαλαξία, έως συγκεντρώσεις όχι πιο μεγάλες από το φτερό ενός εμπορικού αεροπλάνου. (Σε αυτό το πλαίσιο, το “ψυχρό” 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 πειραματική παρατήρηση για το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης και περνάει με άριστα”, δήλωσε ο Tommaso Treu από το Πανεπιστήμιο 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 τις “κολώνες” πάνω στην 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 για ενσωματωμένα αστέρια μπορεί να είναι δύσκολη ή αδύνατη, επειδή περιέχει πολύ λίγα αστέρια.
Ενώ έχουν εντοπιστεί συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης γύρω από μεγάλους και μεσαίου μεγέθους γαλαξίες, μέχρι σήμερα δεν έχουν βρεθεί πολύ μικρότερες δομές 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, κουμπώνουν 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 ψυχρή” 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 Anna Nierenberg από το Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA, επικεφαλής της έρευνας του Hubble. “Οι αστρονόμοι έχουν πραγματοποιήσει άλλες παρατηρησιακές δοκιμασίες των θεωριών σκοτεινής ύλης πιο πριν, αλλά η δική μας παρέχει τα ισχυρότερα στοιχεία για την παρουσία μικρών συσσωματωμάτων ψυχρής σκοτεινής ύλης. πολύ πιο ισχυρό αποτέλεσμα από ό, τι ήταν δυνατό στο παρελθόν. ”
Το κυνήγι για συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που στερούνται άστρων αποδείχθηκε μία 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 “φανάρια του δρόμου”, που ονομάζονται κβάζαρ (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, στρεβλώνεται από τη βαρύτητα ενός μεγάλου γαλαξία που είναι στο προσκήνιο, και που λειτουργεί ως μεγεθυντικός (βαρυτικός) φακός.
Κάθε ένα από αυτά τα πιο πάνω 4 στιγμιότυπα του Χαμπλ αποκαλύπτει τέσσερις παραμορφωμένες εικόνες ενός κβάζαρ στο φόντο (background) και του γαλαξία του που περιβάλλει τον κεντρικό πυρήνα ενός μεγάλου γαλαξία στο προσκήνιο (foreground). Η βαρύτητα του μεγάλου γαλαξία του προσκηνίου ενεργεί σαν μεγεθυντικός φακός, στρεβλώντας το φως του κβάζαρ σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται βαρυτικός φακός. Τέτοιες τετραπλές εικόνες από κβάζαρ είναι σπάνιες λόγω της σχεδόν ακριβούς ευθυγράμμισης που απαιτείται ανάμεσα στον γαλαξία του προσκηνίου και το κβάζαρ του φόντου.
Οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το φαινόμενο του βαρυτικού εστιασμού για να ανιχνεύσουν τις μικρότερες δέσμες σκοτεινής ύλης που βρέθηκαν ποτέ. Οι συστάδες-συγκεντρώσεις βρίσκονται κατά μήκος της οπτικής επαφής του τηλεσκοπίου με τα κβάζαρ, καθώς και γύρω από τους πρώτους γαλαξίες βαρυτικού εστιασμού. 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 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 ανέλυσε 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.
Οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που ανιχνεύθηκαν από το Hubble είναι 1 / 10.000 έως 1 / 100.000 φορές η μάζα του φωτοστέφανου (άλως) του Γαλαξία. Πολλές από αυτές τις μικροσκοπικές ομάδες πιθανότατα δεν περιέχουν ούτε μικρούς γαλαξίες και συνεπώς θα ήταν αδύνατο να εντοπιστούν με την παραδοσιακή μέθοδο αναζήτησης ενσωματωμένων αστεριών.
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 το 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 της σκοτεινής ύλης.”
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 Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), και τα δύο υπέρυθρα παρατηρητήρια. Το Webb θα είναι σε θέση να επιτύχει αποτελεσματικά αυτές τις μετρήσεις για όλα τα γνωστά τετραπλά βαρυτικού εστιασμού κβάζαρ. Η ευκρίνεια του WFIRST και το μεγάλο οπτικό πεδίο του 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 σμηνών των γαλαξιών. Αυτό θα βοηθήσει τους ερευνητές να αποκαλύψουν πολλά περισσότερα από αυτά τα σπάνια συστήματα.
