Το Hubble ανακαλύπτει την κατανομή της σκοτεινής ύλης ενός σμήνους γαλαξιών

Από σελίδα της ESA, 18 Ιουλίου 2003

Χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό εργαλείο, το βαρυτικό φακό, μια ευρωπαϊκή και μια αμερικανική ομάδα αστρονόμων έχει κατασκευάσει ένα χάρτη της κατανομής της μάζας σε μια από τις πιο ογκώδεις δομές στο Σύμπαν μας. Θεωρούν ότι αυτό θα οδηγήσει σε μια καλύτερη κατανόηση για το πώς συσσωρεύονται τέτοια τεράστια συστήματα καθώς και τον βασικό ρόλο της σκοτεινής ύλης.

Τα σμήνη των γαλαξιών είναι τα μεγαλύτερα σταθερά συστήματα στο Σύμπαν. Είναι σαν εργαστήρια για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ της κατανομής της σκοτεινής και της ορατής ύλη. Το 1937, ο Fritz Zwicky συνειδητοποίησε ότι το ορατό συστατικό ενός σμήνους (χιλιάδες εκατομμύρια αστεριών σε κάθε ένα από τους μυριάδες γαλαξίες) αντιπροσωπεύει μόνο ένα μικροσκοπικό μέρος της συνολικής μάζας. Περίπου το 80-85% του ύλης είναι αόρατο, αυτό που αποκαλούμε "σκοτεινή ύλη". Αν και οι αστρονόμοι ξέρουν για την παρουσία της σκοτεινής ύλης, εδώ και πολλές δεκαετίες, η ανακάλυψη μιας τεχνικής για να βρούμε τη κατανομή της είναι μια πολύ πρόσφατη ανάπτυξη.

Η ομάδα των αστρονόμων καθοδηγημένη από τους Jean-Paul Kneib (από το Παρατηρητήριο των Πυρηναίων, στη Γαλλία και το Caltech  στις Ηνωμένες Πολιτείες), τον Richard Ellis και τον Tommaso Treu (επίσης από το Caltech),  χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο της NASA και της ESA, τον Hubble, για να αναδημιουργήσει ένα μοναδικό χάρτη της μάζας στο σμήνος των γαλαξιών CL0024+1654. Αυτό τους βοήθησε να δουν για πρώτη φορά σε τέτοιες μεγάλες κλίμακες πώς κατανέμεται η μυστήρια σκοτεινή ύλη όσον αφορά τους γαλαξίες. Αυτή η σύγκριση δίνει νέες ενδείξεις για τον τρόπο με τον οποίο τέτοια μεγάλες σμήνη συγκεντρώνονται και ποιο ρόλο παίζει η σκοτεινή ύλη στην κοσμική εξέλιξη.

Η επισήμανση της σκοτεινής ύλης δεν είναι ένας εύκολος στόχος επειδή δεν εκπέμπει καμιά ακτινοβολία. Για να κάνουν έναν χάρτη, οι αστρονόμοι πρέπει να εστιάσουν στους πολύ πιο εξασθενημένους, πιο απόμακρους γαλαξίες πίσω από τη σμήνος. Οι μορφές αυτών των απόμακρων συστημάτων διαστρεβλώνονται από τη βαρύτητα του σμήνους, που είναι σε πρώτο πλάνο. Αυτή η διαστρέβλωση παρέχει ένα μέτρο της μάζας του σμήνους, ένα φαινόμενο γνωστό ως ασθενής βαρυτικός φακός.

Για να χαρτογραφήσουν τη σκοτεινή ύλη του σμήνους CL0024+1654, η ομάδα αφιέρωσε περισσότερο από 120 ώρες. Αυτός ο χρόνος είναι ο μεγαλύτερος που αφιερώθηκε ποτέ στη μελέτη ενός σμήνους γαλαξιών από το Hubble. Παρά την απόσταση των 4,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός του σμήνους από τη Γη (περίπου το ένα τρίτο της ηλικίας του Σύμπαντος), αυτό το ογκώδες σμήνος είναι αρκετά ευρύ, ίσο με το γωνιακό μέγεθος της Πανσελήνου (20 εκατομμύρια έτη φωτός). Για να κάνουν οι αστρονόμοι ένα χάρτη της μάζας, που να καλύπτει ολόκληρο το σμήνος, απαιτήθηκαν παρατηρήσεις 39 περιοχών του σμήνους των γαλαξιών.

Η έρευνα έχει οδηγήσει στην πιο περιεκτική μελέτη της κατανομής της σκοτεινής ύλης σε ένα σμήνος γαλαξιών σε τόσο μεγάλη έκταση, που εκτείνεται περισσότερο από 20 εκατομμύρια έτη φωτός από το κέντρο του, πολύ περισσότερο από τις προηγούμενες έρευνες. Πολλές ομάδες ερευνητών έχουν προσπαθήσει να εκτελέσουν αυτούς τους τύπους των μετρήσεων με τα επίγεια τηλεσκόπια. Εντούτοις, η τεχνική στηρίζεται σε μεγάλο ποσοστό στην εύρεση των ακριβών μορφών των απόμακρων γαλαξιών πίσω από τη σμήνος. Η εικόνα όμως που παίρνει ένα διαστημικό τηλεσκόπιο όπως το Hubble των NASA-ESA είναι σαφώς ανώτερη.

Η μελέτη αποκαλύπτει ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στις μεγάλες κλίμακες μειώνεται αισθητά με την απόσταση από το κέντρο του σμήνους. Αυτό επιβεβαιώνει μια εικόνα που έχει προκύψει από τις πρόσφατες λεπτομερείς προσομοιώσεις των υπολογιστών. Όπως λέει ο Richard Ellis: "Αν και οι θεωρητικοί έχουν προβλέψει τη μορφή της σκοτεινής ύλης στα σμήνη των γαλαξιών από τις αριθμητικές προσομοιώσεις, που βασίζονται μόνο στα αποτελέσματα της βαρύτητας, τώρα είναι η πρώτη φορά που έχουμε πειστικές παρατηρήσεις για να τις υποστηρίξουμε. Μερικοί αστρονόμοι είχαν σκεφτεί ότι τα σμήνη περιέχουν μεγάλες δεξαμενές σκοτεινής ύλης στις πιο ακραίες περιοχές τους. Αν υποθέσουμε ότι το σμήνος μας είναι αντιπροσωπευτικό, δεν ισχύει αυτή η περίπτωση".

Η ομάδα παρατήρησε ότι η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται να σχηματίζει συμπαγή μάζα στο χάρτη τους. Παραδείγματος χάριν, βρήκαν ότι οι συγκεντρώσεις της σκοτεινής ύλης είναι συνδεμένες με γνωστούς γαλαξίες που πέφτουν αργά στο σύστημα. Γενικά, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η σκοτεινή ύλη επισημαίνει τα σμήνη των γαλαξιών εντυπωσιακά καλά.

"Όταν ένα σμήνος συσσωρεύεται, η σκοτεινή ύλη μεταξύ των γαλαξιών ενεργεί όπως μια κόλλα", λέει ο Jean-Paul Kneib. "Η ένωση της σκοτεινής ύλης και της ύλης είναι πολύ πειστικά στοιχεία ότι οι δομές, όπως το σμήνος CL0024+1654, αυξάνονται με τη συγχώνευση μικρότερων ομάδων γαλαξιών που ήδη ενώνονταν με τα σκοτεινά τμήματα της ύλη τους".

Όπως αναφέρεται, η κατανομή της μάζας του CL0024+1654 βρίσκεται σε συμφωνία με τη θεωρία της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή η σκοτεινή ύλη αποτελείται από WIPM's (weakly-interacting massive particles), σωματίδια με μεγάλη μάζα και μικρή ταχύτητα που έχουν την τάση να συσσωματώνονται. Υπάρχει βέβαια και μια άλλη θεωρία, αυτής που λέει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από θερμά και ταχύτατα κινούμενα σωματίδια, όπως τα νετρίνα. 

Οι μελλοντικές έρευνες, που θα χρησιμοποιούν τη νέα φωτογραφική μηχανή του Hubble, την Προηγμένη Φωτογραφική Κάμερα για Έρευνες (ACS), θα επεκτείνουν αυτήν την εργασία όταν εκπαιδευτεί το Hubble σε ένα δεύτερο σμήνος γαλαξιών στο τέλος του χρόνου. Το ACS είναι 10 φορές αποδοτικότερο από το Wide Field και την Πλανητική Φωτογραφική Κάμερα 2 που χρησιμοποιήθηκε για αυτήν την έρευνα. Έτσι ο Hubble είναι δυνατό να μελετήσει με μεγαλύτερη λεπτομέρεια τις συμπαγείς μάζες στα σμήνη των γαλαξιών και να βοηθήσει στην επίλυση του προβλήματος του τρόπου που συσσωρεύονται τα σμήνη.

Η έρευνα παρουσιάστηκε στο συνέδριο της Διεθνούς Αστρονομικής Ένωσης στο Σίδνεϋ και έχει γίνει δεκτή για δημοσίευση στο Astrophysical Journal.