Αστρονόμοι χαρτογραφούν τη σκοτεινή ύλη με τρομακτική λεπτομέρεια

Πηγή: Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, 9 Δεκεμβρίου 2005

Κάποιες ενδείξεις που αποκαλύφθηκαν από μια πρόσφατη παρατήρηση του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, έχουν επιτρέψει στους αστρονόμους να χαρτογραφήσουν τη θέση της αόρατης "σκοτεινής ύλης" με πρωτοφανείς λεπτομέρειες σε δύο πολύ νέα σμήνη γαλαξιών. Μια ομάδα του Ινστιτούτου Διαστημικών Τηλεσκοπίων του πανεπιστημίου Johns Hopkins (STScI) δημοσιεύει τα συμπεράσματά της στο τεύχος Astrophysical Journal του Δεκεμβρίου.

Αριστερά: Αυτό είναι το στιγμιότυπο της προσομοίωσης σε υπολογιστές της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. Αυτές οι νηματοειδείς δομές ονομάζονται  "κοσμικοί ιστοί" της σκοτεινής ύλης

Τα αποτελέσματα της ομάδας δίνουν πόντους στη θεωρία ότι οι γαλαξίες που μπορούμε να δούμε σχηματίζονται στις πυκνότερες περιοχές των "κοσμικών ιστών" της αόρατης σκοτεινής ύλης, ακριβώς όπως ο αφρός συγκεντρώνεται στην κορυφή των κυμάτων του ωκεανού, λέει ένας από τους συντάκτες της έρευνας Myungkook James Jee στο τμήμα φυσικής και αστρονομίας του πανεπιστημίου Johns Hopkins.

Δεξιά είναι μια εικόνα, από το όργανο ACS στο Hubble, που δείχνει ότι ο γαλαξίας επιμηκύνθηκε κάθετα από τη βαρύτητα. Εντούτοις, όταν παρατηρείται ο ίδιος γαλαξίας με το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) στο Cerro Paranal, βλέπουμε μόνο μια μικρή 'σταγόνα' από κάτω και κανέναν υπαινιγμό για βαρυτική εστίαση (δεξιά εικόνα). Οι πληροφορίες της μορφής έχουν δηλαδή καταστραφεί λόγω της ατμοσφαιρικής διαταραχής ακόμα κι αν είναι πολύ ασθενέστερη απ' ό,τι είναι στην επιφάνεια της θάλασσας.

"Οι πρόοδοι στην τεχνολογία των υπολογιστών μας επιτρέπουν να προσομοιώσουμε ολόκληρο το σύμπαν και να παρακολουθήσουμε τη συγκέντρωση της ύλης στα αστέρια, στους γαλαξίες, στα σμήνη των γαλαξιών και στις τεράστιες δομικές ίνες της ύλης από τα πρώτα εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια έως το σήμερα", αναφέρει ο Jee. "Εντούτοις, είναι πολύ προκλητικό για μας να ελέγξουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με παρατηρήσεις, επειδή η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει φως".

Ο Jee τόνισε ότι η ομάδα του μέτρησε ένα λεπτό βαρυτικό εστιασμό, που φαινόταν στις εικόνες του Hubble -- δηλαδή τις μικρές διαστρεβλώσεις των μορφών των γαλαξιών που προκαλούνται από τη βαρύτητα της αθέατης σκοτεινής ύλης -- παράγοντας έτσι λεπτομερείς χάρτες της σκοτεινής ύλης.

Η ομάδα έκανε παρατηρήσεις σε δύο σμήνη των γαλαξιών που σχηματίστηκαν όταν το σύμπαν είχε τη μισή σημερινή ηλικία του.

"Οι εικόνες που πήραμε παρουσιάζουν σαφώς ότι τα σμήνη των γαλαξιών βρίσκονται στις πυκνότερες περιοχές των φωτοστεφάνων (της άλως) της σκοτεινής ύλης, που δείχνονται με το πορφυρό χρώμα στις εικόνες μας", διευκρινίζει ο Jee.

Η εργασία τους στηρίζει τη θεωρία ότι η σκοτεινή ύλη - που αποτελεί το 90% της ύλης στον Κόσμο -- και η ορατή ύλη πρέπει να συγχωνεύτηκε στις ίδιες θέσεις, επειδή η βαρύτητα τους ελκύει μαζί, είπε ο Jee. Οι συγκεντρώσεις της σκοτεινής ύλης πρέπει να προσελκύει την ορατή ύλη, και κατά συνέπεια, βοηθά στο σχηματισμό των φωτεινών άστρων, των γαλαξιών και των σμηνών των γαλαξιών.

Είναι γνωστό ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα από τα πιο αινιγματικά προβλήματα στη σύγχρονη κοσμολογία. Είναι αόρατη, κι όμως είναι αναμφισβήτητα εκεί -- γιατί οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν τα αποτελέσματά της -- ενώ τα ακριβή χαρακτηριστικά του παραμένουν αόριστα. Οι προηγούμενες προσπάθειες να χαρτογραφηθεί η σκοτεινή ύλη λεπτομερώς με τα επίγεια τηλεσκόπια εμποδίζονται από την αναταραχή στη γήινη ατμόσφαιρα, που θολώνει τις εικόνες.

"Η παρατήρηση μέσα από την ατμόσφαιρα είναι σαν να προσπαθούμε να δούμε τις λεπτομέρειες μιας εικόνας στο κατώτατο σημείο μιας πισίνας με κύματα",  λέει ο Holland Ford, συντάκτης κι αυτός της εργασίας, καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας στο Johns Hopkins.

Η ομάδα του Johns Hopkins-STScI κατάφερε να υπερνικήσει το ατμοσφαιρικό εμπόδιο χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Η Προηγμένη Φωτογραφική Κάμερα στο Hubble που τοποθετήθηκε πριν τρία χρόνια ωφέλησε αρκετά, αυξάνοντας έτσι την αποδοτικότητα των ανακαλύψεων του Hubble κατά έναν παράγοντα ίσο με 10.

Η ομάδα επικεντρώθηκε σε δύο σμήνη γαλαξιών (που το κάθε ένα περιέχει περισσότερους από 400 γαλαξίες) στο νότιο ουρανό.

Σκοτεινή ύλη στο σμήνος CL 0152-1357

"Αυτές οι εικόνες κυρίως προορίζονταν για τη μελέτη των γαλαξιών στα σμήνη, και όχι του φαινομένου του βαρυτικού εστιασμού των γαλαξιών του υποβάθρου", λέει ο Richard  White, ένας αστρονόμος στο STScI, που είναι επίσης επικεφαλής του αρχείου των στοιχείων του Hubble. "Αλλά η οξύτητα και η ευαισθησία των εικόνων τις έκαναν ιδανικές για αυτό το πρόγραμμα. Αυτή είναι η πραγματική ομορφιά των εικόνων του Hubble: Θα χρησιμοποιηθούν για χρόνια για νέες επιστημονικές έρευνες."

Το αποτέλεσμα από την ανάλυση των εικόνων από την ομάδα είναι ότι βγήκε μια σειρά ζωντανών, λεπτομερών εικόνων στον υπολογιστή που επεξηγούν τη θέση της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τον Jee, αυτές οι εικόνες δίνουν στους ερευνητές μια πρωτοφανή ευκαιρία να βρουν τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης.

Η συγκεντρωμένη δομή της σκοτεινής ύλης γύρω από τα σμήνη των γαλαξιών είναι σύμφωνη με την σημερινή άποψη ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης είναι "χωρίς σύγκρουση", προσθέτει ο Jee. Αντίθετα από τα κανονικά σωματίδια της ύλης, οι φυσικοί θεωρούν ότι δεν συγκρούονται και δεν σκεδάζονται, όπως οι σφαίρες του μπιλιάρδου, αλλά μάλλον περνούν απλά το ένα μέσω του άλλου.

"Τα χωρίς συγκρούσεις σωματίδια δεν βομβαρδίζονται μεταξύ τους με τον τρόπο που δύο άτομα υδρογόνου κάνουν. Εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκρούονταν, θα παρατηρούσαμε μια πολύ ομαλότερη κατανομή της σκοτεινής ύλης, χωρίς οποιεσδήποτε μικρής κλίμακας συμπαγείς δομές", συνεχίζει ο Jee.

Ο Ford από την άλλη λέει ότι αυτή η μελέτη δείχνει ότι η Προηγμένη Κάμερα του Hubble (ACS) έχει ένα μοναδικό πλεονέκτημα για τις μελέτες του βαρυτικού εστιασμού και, κατά τη διάρκεια των επόμενων ετών, θα βοηθήσει σημαντικά στην κατανόηση του σχηματισμού και της εξέλιξης της κοσμικής δομής, καθώς επίσης και της σκοτεινής ύλης.

"Είμαι πολύ ικανοποιημένος για το ότι η Προηγμένη Κάμερα για Έρευνες του Hubble, για την οποία χρειάστηκαν επτά χρόνια σκληρής δουλειάς  για να την φτιάξουν τόσοι ταλαντούχοι επιστήμονες και μηχανικοί, δίνει σε όλη την ανθρωπότητα τις πιο μακρινές εικόνες αλλά και τις συνθήκες προέλευσης του θαυμάσιου Κόσμου μας", συμπληρώνει ο Ford.