Η σκοτεινή ύλη μια πραγματικά ψυχρή, σκοτεινή και μη βαρυονική ύλη, μπορεί να ανιχνευθεί μόνο μέσω της βαρυτικής της επίδρασης στην κανονική ύλη. Σε σμήνη και ομάδες γαλαξιών, αυτή η επίδραση εμφανίζεται ως ένας ασθενής βαρυτικός εστιασμός, που είναι δύσκολο να εντοπιστεί. Ένας τρόπος για να έχουμε μια πολύ πιο ακριβή εκτίμηση του μεγέθους του βαρυτικού εστιασμού – και από εκεί την κατανομή της σκοτεινής ύλης – είναι να χρησιμοποιήσουμε την εκπομπή των ακτίνων-Χ από το θερμό πλάσμα εντός του σμήνους για να εντοπίσουμε το κέντρο της μάζας του.
Εκπομπή ακτίνων-Χ στο πεδίο COSMOS όπως λήφθηκε από το διαστημικό παρατηρητήριο XMM-Newton της ESA. Στην πιο πάνω εικόνα εμφανίζεται η γαλαξιακή πυκνότητα στο τμήμα του ουρανού Cosmic Evolution Survey (COSMOS), με χρώματα να εκπροσωπούν την μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) των γαλαξιών, από 0,2 (μπλε χρώμα) έως 1 (κόκκινο)
Έτσι μια ομάδα αστρονόμων πρόσφατα ερεύνησε τους ουρανούς στις ακτίνες Χ και για πρώτη φορά μας έδωσε μια υπόνοια για το πώς έχει εξελιχθεί η σκοτεινή ύλη κατά τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια.
Η αστρονομική έρευνα COSMOS έχει σκοπό να εξετάσει το σχηματισμό και την εξέλιξη των γαλαξιών ως συνάρτηση του κοσμικού χρόνου (βρίσκοντας δηλαδή την ερυθρή μετατόπιση τους) και της μεγάλης κλίμακας δομή του περιβάλλοντος. Η έρευνα καλύπτει μια περιοχή έκτασης 2 τετραγωνικών μοιρών, με απεικόνιση της από τα πιο πολλά μεγάλα διαστημικά τηλεσκόπια (συμπεριλαμβανομένων των Hubble και XMM-Newton), αλλά και μια σειρά από επίγεια τηλεσκόπια.
Η κατανόηση της φύσης της σκοτεινής ύλης είναι ένα από τα βασικά αναπάντητα ερωτήματα στη σύγχρονη κοσμολογία. Σε μία από τις προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν την σχέση μεταξύ μάζας και φωτεινότητας που έχει βρεθεί για τα σμήνη των γαλαξιών που συνδέει τις εκπομπές των ακτίνων-Χ τους, μια ένδειξη της μάζας μόνο της συνηθισμένης βαρυονικής ύλης (φυσικά μαζί με τα ηλεκτρόνια τα οποία όμως είναι λεπτόνια!), και τις συνολικής μάζας τους (βαρυονικής μαζί με την σκοτεινή ύλη), όπως καθορίζεται μέσω του βαρυτικού εστιασμού.
Μέχρι σήμερα, η σχέση αυτή έχει αποδειχθεί μόνο για τα κοντινά συμπλέγματα γαλαξιών. Ένα νέο πρότζεκτ με συνεργασία του Ινστιτούτου Max Planck για την Εξωγήινη Φυσική, το Εργαστήριο Αστροφυσικής της Μασσαλίας και το Εργαστήριο του Μπέρκλεϋ, έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο για την επέκταση της σχέσης και σε πιο απομακρυσμένες και μικρότερες μονάδες από ό,τι ήταν δυνατόν στο παρελθόν.
Για να διαπιστωθεί η σχέση μεταξύ εκπομπής ακτίνων Χ και της υποκείμενης σκοτεινής ύλης, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα από τα μεγαλύτερα δείγματα στις ακτίνες Χ ομάδων και γαλαξιακών σμηνών, που έχουν δημιουργηθεί από το παρατηρητήριο της ESA, XMM-Newton.
Δεδομένου ότι οι ακτίνες X είναι ο καλύτερος τρόπος για να βρείτε και χαρακτηρίζουν ομάδες, οι περισσότερες μελέτες παρακολούθησης έχουν μέχρι τώρα περιορίζεται σε σχετικά κοντά τις ομάδες και τα σμήνη των γαλαξιών.
“Οι κατάλογοι του XMM-Newton με τις παρατηρήσεις του στα διάφορα σμήνη και ομάδες των γαλαξιών είναι πλούσιοι σε περιεχόμενο. Γι αυτό και η ομάδα εργασίας ήταν σε θέση να επεκτείνει τις μετρήσεις της μάζας σε πολύ μικρότερες μονάδες, που υπήρχαν στις απαρχές του Κόσμου”, λέει ο Alexie Leauthaud του Εργαστηρίου Φυσικής του Μπέρκλεϋ, ένας από τους ερευνητές.
COSMOS-XCL095951 +014049
Ο βαρυτικός εστιασμός παρουσιάζεται επειδή η μάζα καμπυλώνει τον χώρο γύρω της, ή κάμψη δε της τροχιάς του φωτός είναι ανάλογη της μάζας, αλλά και μεγαλώνει όσο πιο κοντά είναι στο κέντρο της μάζας. Όσο δε περισσότερη είναι η κάμψη της ακτίνας τόσο περισσότερο η εικόνα ενός μακρινού αντικειμένου στρεβλώνει. Έτσι η μέτρηση της παραμόρφωσης είναι το κλειδί για τη μέτρηση της μάζας του αντικειμένου που προκαλεί τον βαρυτικό εστιασμό.
Ωστόσο, προκειμένου να υπολογίσει κάποιος τη μάζα του φακού από την παραμόρφωση πρέπει να γνωρίζει το κέντρο της. Με την βοήθεια όμως των εικόνων στις ακτίνες-Χ, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η φωτεινότητα του σμήνους των γαλαξιών για να βρεθεί το κέντρο του με μεγάλη ακρίβεια.
Έτσι, γνωρίζοντας τα κέντρα της μάζας από την ανάλυση της εκπομπής των ακτίνων-Χ, ο Alexie Leauthaud και οι συνεργάτες του μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν στη συνέχεια τον βαρυτικό εστιασμό, προκειμένου να εκτιμηθεί η συνολική μάζα του μακρινού σμήνους ή της ομάδας των γαλαξιών με τη μεγαλύτερη ακρίβεια που έγινε ποτέ.
Η θέση των σημερινών γαλαξιών μπορεί να ανιχνευτεί από τις μικρές διαφορές στην πυκνότητα του τότε καυτού νεαρού σύμπαντος. Ίχνη δε από αυτές τις διαφορές της πυκνότητας μπορεί να αναγνωριστούν από τις λεπτές διαφορές της θερμοκρασίας στην Κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB) – που αποτελείται από καυτά και ψυχρά σημεία.
“Οι διαφορές που παρατηρούμε στο κατάλοιπο της ακτινοβολίας του Big Bang (CMB) αντιπροσωπεύουν τα αποτυπώματα που αναπτύχθηκαν με τον καιρό στις κοσμικές σκαλωσιές από σκοτεινή ύλη που βοήθησαν να φτιαχτούν οι γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα”, λέει ο George Smoot, διευθυντής του Κέντρου για την Κοσμολογική Φυσική αλλά και καθηγητής στο Μπέρκλεϋ, που κέρδισε το 2006 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τη μέτρηση της ανισοτροπίας στην CMB. "Είναι πολύ συναρπαστικό ότι μπορούμε να μετρήσουμε με τον βαρυτικό εστιασμό πώς κατέρρευσε και εξελίχθηκε η σκοτεινή ύλη από τις απαρχές του Κόσμου."
Ένας στόχος στη μελέτη της εξέλιξης της δομής είναι να κατανοήσει την ίδια την σκοτεινή ύλη, και το πώς αλληλεπιδρά με τη συνήθη ύλη που μπορούμε να δούμε. Ένας άλλος στόχος είναι να μάθουμε περισσότερα για τη σκοτεινή ενέργεια, το μυστηριώδες φαινόμενο που αναγκάζει τα σμήνη των γαλαξιών να απομακρύνονται μεταξύ τους, προκαλώντας έτσι την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Πολλά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα: Είναι η σκοτεινή ενέργεια σταθερή, ή είναι δυναμική; Ή είναι απλώς μια ψευδαίσθηση που προκαλείται από έναν περιορισμό στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας;
Τα εργαλεία που έχουμε για τη σχέση της συνολικής μάζας με την φωτεινότητα θα μας βοηθήσουν να απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις σχετικά με τους αντιτιθέμενους ρόλους της βαρύτητας και της σκοτεινής ενέργειας στη διαμόρφωση του Σύμπαντος, τώρα αλλά και στο μέλλον.
Πηγή: UniverseToDay
Leave a Comment