Mówiąc najprościej, uważa się, że Ciemna Materia nie tylko stanowi większość masy Wszechświata, ale także działa jako rusztowanie, na którym budowane są galaktyki. Aby jednak znaleźć dowody na tę tajemniczą, niewidzialną masę, naukowcy zmuszeni są polegać na pośrednich metodach podobnych do tych używanych do badania czarnych dziur. Zasadniczo mierzą, jak obecność Ciemnej Materii wpływa na gwiazdy i galaktyki w jej pobliżu.
Do tej pory astronomom udało się znaleźć dowody skupisk ciemnej materii wokół średnich i dużych galaktyk. Korzystanie z danych z Kosmiczny teleskop Hubble oraz nową technikę obserwacji zespół astronomów z UCLA i NASA JPL odkrył, że ciemna materia może tworzyć znacznie mniejsze grudki niż wcześniej sądzono. Odkrycia zostały zaprezentowane w tym tygodniu na 235. spotkaniu American Astronomical Society (AAS).
Najbardziej powszechnie akceptowana teoria o Ciemnej Materii głosi, że nie składa się ona z tego samego materiału co barionowa (czyli materia normalna lub „świecąca”) - tj. Protonów, neutronów i elektronów. Zamiast tego zakłada się, że Ciemna Materia składa się z jakiejś nieznanej cząsteczki subatomowej, która oddziałuje z normalną materią tylko poprzez grawitację, najsłabszą z sił podstawowych - pozostałe to elektromagnetyczne, silne i słabe siły jądrowe.
Inna powszechnie akceptowana teoria mówi, że Ciemna Materia porusza się powoli w porównaniu do innych rodzajów cząstek, a zatem jest podatna na zbrylanie się. Zgodnie z tą ideą Wszechświat powinien zawierać szeroki zakres stężeń ciemnej materii, od małych do dużych. Jednak do tej pory nie zaobserwowano żadnych małych stężeń.
Korzystając z danych uzyskanych przez kamerę Wide Field Camera 3 (WFC3) Hubble'a, zespół badawczy starał się znaleźć dowody na te małe grudki, mierząc światło z jasnych jąder ośmiu odległych galaktyk (inaczej kwazarów), aby zobaczyć, jak wpływa na nie podczas podróży przez przestrzeń. Ta technika, powszechnie stosowana przez astronomów do badania odległych galaktyk, gromad gwiazd, a nawet egzoplanet, znana jest jako soczewkowanie grawitacyjne.
Pierwotnie przewidywana przez Teorię ogólnej teorii względności Einsteina, technika ta opiera się na sile grawitacyjnej dużych obiektów kosmicznych w celu wypaczenia i powiększenia światła z bardziej odległych obiektów. Daniel Gilman z UCLA, który był członkiem zespołu obserwacyjnego, wyjaśnił proces w następujący sposób:
„Wyobraź sobie, że każda z tych ośmiu galaktyk to gigantyczne szkło powiększające. Małe grudki ciemnej materii działają jak małe pęknięcia na szkle powiększającym, zmieniając jasność i położenie czterech obrazów kwazarów w porównaniu z tym, czego można by się spodziewać, gdyby szkło było gładkie. ”
Zgodnie z nadzieją Hubble obrazy pokazały, że światło pochodzące z tych ośmiu kwazarów podlegało efektowi soczewkowania, który jest spójny z obecnością małych skupisk wzdłuż linii widzenia teleskopu oraz wewnątrz i wokół galaktyk soczewkowych na pierwszym planie. Osiem kwazarów i galaktyk ustawiono tak dokładnie, że efekt wypaczenia dawał cztery zniekształcone obrazy każdego kwazara.
Stosując skomplikowane programy komputerowe i techniki intensywnej rekonstrukcji, zespół porównał poziom zniekształceń z przewidywaniami, jak wyglądałyby kwazary bez wpływu Ciemnej Materii. Pomiary te zostały również wykorzystane do obliczenia mas stężeń ciemnej materii, które wskazały, że były one 1/10 000 do 1/100 000 razy większa niż masa własnego halo Ciemnej Materii Drogi Mlecznej.
Oprócz tego, że po raz pierwszy zaobserwowano małe stężenia, wyniki zespołu potwierdzają jedną z podstawowych prognoz teorii „Zimnej Ciemnej Materii”. Teoria ta postuluje, że skoro Ciemna Materia porusza się wolno (lub „zimnie”), to jest w stanie tworzyć struktury od maleńkich koncentracji po ogromne, które są kilkakrotnie masą Drogi Mlecznej.
Teoria ta stwierdza również, że wszystkie galaktyki we Wszechświecie uformowały się w obłoki Ciemnej Materii zwane „aureolami” i zostały w nich osadzone. Zamiast dowodów na małe skupiska, niektórzy badacze sugerują, że Ciemna Materia może faktycznie być „ciepła” - tj. Szybka w ruchu - a zatem zbyt szybka, aby tworzyć mniejsze stężenia.
Jednak nowe obserwacje stanowią ostateczny dowód na to, że teoria zimnej ciemnej materii i obsługiwany przez nią model kosmologiczny - model Lambda Cold Dark Matter (? CDM) - jest poprawny. Jak wyjaśnił profesor Tommaso Treu z University of California, Los Angeles (UCLA), te ostatnie Hubble obserwacje dostarczają nowych informacji na temat natury ciemnej materii i jej zachowania.
„Zrobiliśmy bardzo przekonujący test obserwacyjny dla modelu zimnej ciemnej materii, który przechodzi w żywe kolory”, powiedział. „To niewiarygodne, że po prawie 30 latach działalności Hubble umożliwia najnowocześniejsze poglądy na fundamentalną fizykę i naturę wszechświata, o którym nawet nie marzyliśmy, kiedy wystrzelono teleskop”.
Anna Nierenberg, badaczka z NASA Jet Propulsion Laboratory, która prowadziła Hubble ankieta, wyjaśnione dalej:
Polowanie na koncentracje ciemnej materii pozbawionej gwiazd okazało się trudne. Zespół badawczy Hubble'a zastosował jednak technikę, w której nie musieli szukać grawitacyjnego wpływu gwiazd jako wskaźników ciemnej materii. Zespół celował w osiem potężnych i odległych kosmicznych „latarni ulicznych”, zwanych kwazarami (regiony wokół aktywnych czarnych dziur, które emitują ogromne ilości światła). Astronomowie zmierzyli, w jaki sposób światło emitowane przez tlen i gaz neonowy krążący wokół czarnych dziur kwazarów jest wypaczane przez grawitację masywnej galaktyki na pierwszym planie, która działa jak soczewka powiększająca.
Liczba małych struktur wykrytych w badaniu dostarcza więcej wskazówek na temat natury cząstek ciemnej materii, ponieważ ich właściwości wpłynęłyby na liczbę tworzących się grudek. Jednak rodzaj cząstek, z których składa się Mroczna Materia, pozostaje na razie zagadką. Na szczęście oczekuje się, że rozmieszczenie teleskopów kosmicznych nowej generacji w najbliższej przyszłości pomoże w tym zakresie.
Należą do nich James Webb Space Telescope (JWST) i Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), z których oba są obserwatoriami podczerwieni, które mają wznieść się w tej dekadzie. Dzięki wyrafinowanej optyce, spektrometrom, dużemu polu widzenia i wysokiej rozdzielczości, teleskopy te będą w stanie obserwować całe regiony przestrzeni kosmicznej dotknięte masywnymi galaktykami, gromadami galaktyk i ich odpowiednimi aureolami.
To powinno pomóc astronomom ustalić prawdziwą naturę Ciemnej Materii i to, jak wyglądają jej cząsteczki. Jednocześnie astronomowie planują użyć tych samych instrumentów, aby dowiedzieć się więcej o Ciemnej Energii, kolejnej wielkiej tajemnicy kosmologicznej, którą na razie można zbadać tylko pośrednio. Przed nami ekscytujące czasy!
