Z czego zbudowany jest wszechświat? Nie martw się, jeśli nie masz pojęcia, astronomowie też nie. James Jee z Johns Hopkins University użył Kosmicznego Teleskopu Hubble'a do stworzenia szczegółowej mapy koncentracji ciemnej materii wokół dwóch galaktyk. A astronomowie właśnie dostali kilka nowych wskazówek.
Posłuchaj wywiadu: Dark Matter Maps (5 MB)
Lub subskrybuj podcast: Subskrybuj
Fraser Cain: Słyszeliśmy już termin ciemna materia. Czy możesz dać nam aktualne zrozumienie, czym jest ciemna materia?
Dr James Jee: Zanim zacznę mówić o ciemnej materii, muszę wspomnieć, w co teraz wierzą astronomowie, jak Wszechświat wszedł do tego, czym jest dzisiaj. Uważamy, że 30% wszechświata to materia, a pozostałe 70% to ciemna energia, a ciemna materia zawiera ponad 90% materii we wszechświecie. Nikt nie wykrył ciemnej materii w laboratoriach, więc nie znają jej kształtu, koloru ani zapachu, ale istnieją dowody na jej obecność. Możemy to wykryć za pomocą tzw. Soczewkowania grawitacyjnego.
Fraser: Niedawno przeprowadziłeś ankietę za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, aby zmapować stężenie ciemnej materii. Jak przebiegał ten proces?
Dr Jee: Ciemna materia stanowi, jak powiedziałem, 90% materii we Wszechświecie, a najlepszym miejscem do poszukiwania ciemnej materii jest tam, gdzie jest jej najwięcej. Tak więc wskazaliśmy Kosmiczny Teleskop Hubble'a na dwie z najciekawszych gromad galaktyk powstających, gdy Wszechświat był w połowie swojej obecnej epoki.
Fraser: A co widziałeś?
Dr Jee: Zbadaliśmy rozkład widmowy galaktyk tła. Badając zniekształcenie tych galaktyk tła, byliśmy w stanie określić gęstość ciemnej materii na pierwszym planie.
Fraser: Pokażę, czy dobrze to rozumiem. Patrzyliście na odległe galaktyki i widząc, w jaki sposób zmieniało się światło, gdy nadchodziło w naszym kierunku, byliście w stanie wykryć, gdzie są ukryte grudki materii wpływające na nią grawitacyjnie.
Dr Jee: Dokładnie. Może to dobra analogia. Załóżmy, że czytasz artykuł z lupą, możesz wywnioskować moc lub grubość soczewek, sprawdzając, jak duże litery wyglądają przez lupę. Podobnie, jeśli spojrzysz na zniekształcenie lub powiększenie galaktyk tła, możesz określić gęstość nieuchwytnej ciemnej materii na pierwszym planie.
Fraser: Więc jaki jest związek między ciemną materią a galaktykami, które widzimy?
Dr Jee: Jest to materia dominująca we Wszechświecie i ma grawitację. Bez ciemnej materii bardzo trudno jest tworzyć galaktyki ze strukturami na dużą skalę, które widzimy we współczesnym Wszechświecie. Zdecydowanie ciemna materia pomaga w tworzeniu galaktyk w strukturze na dużą skalę.
Fraser: Czy to możliwe, że gdziekolwiek gromadzi się ciemna materia, tam prawdopodobnie zobaczymy galaktyki?
Dr Jee: Tak, to w zasadzie to, co znaleźliśmy w naszych badaniach. Ludzie spekulują, że ciemna materia to cząstki bezkolizyjne, a ciemna materia i normalna materia powinny istnieć razem. Ale nikt nie był w stanie ustalić tego bardzo wyraźnie, ponieważ ciemna materia nie emituje żadnych fal elektromagnetycznych. Za pomocą Hubble'a odkryliśmy, że świecące galaktyki powstają w najgęstszych regionach halo ciemnej materii.
Fraser: Jeśli wiemy, że dochodzi do tego rodzaju zlepiania się - wydaje się, że oba idą w parze - czy pozwala to na wyrzucenie istniejących teorii na temat tego, czym może być ta ciemna materia?
Dr Jee: Tak, daje nam to wiele wskazówek. Większość ludzi uważa, że ciemna materia jest bezkolizyjna, ale niektórzy sugerują, że mogą mieć pewne właściwości kolizyjne, takie jak gazowy wodór. Sposób, w jaki ciemna materia gromadzi się razem, daje nam wskazówki na temat tego, czym jest ciemna materia. Załóżmy, że ciemna materia ma właściwości kolizji, takie jak atom wodoru, a następnie zderzają się bardzo często, a my zobaczymy bardzo gładki rozkład halo ciemnej materii. Odkryliśmy jednak, że struktury te są bardzo zlepione, podobnie jak masa samej galaktyki. Oznacza to, że cząstki ciemnej materii, jeśli w ogóle, będą cząstkami bezkolizyjnymi, jak głosi większość teorii w dzisiejszej astronomii.
Fraser: Och, rozumiem, więc rzeczywiste cząstki, które mogą powodować tę ciemną materię, są albo tak małe, albo tak słabo oddziałujące, że nawet nie łączą się ze sobą. A gdyby razem się pomylili, zobaczyłbyś bardziej równomierny strumień dystrybucji. Zatem na podstawie uzyskanych ustaleń, jaki byłby następny etap twoich badań?
Dr Jee: Program Advanced Camera for Surveys obejmuje ponad 15 gromad galaktyk, które są bardzo interesujące. To tylko dwa pierwsze wyniki. Uważamy, że jeśli wypełnimy nasze 15 gromad galaktyk na potrzeby ankiety, uzyskamy wyraźniejszy obraz interakcji ciemnej materii i normalnej materii, być może razem grawitacji. I możemy mieć bardziej jasne pojęcie o tym, jak ciemna materia przyczynia się do powstawania wielkoskalowej struktury Wszechświata.
Fraser: Czy w oparciu o badania, które przeprowadziłeś do tej pory, czy masz teorię na temat tego, czym może być ciemna materia?
Dr Jee: Cóż, jeśli wejdziesz na stronę Astro-ph, jest to strona, na której ludzie przesyłają różne artykuły badawcze, a dziennie jest ich około 10 lub 15. Jest wiele spekulacji na ten temat, które są bardzo atrakcyjne i wiarygodne. Myślę jednak, że na naturę ciemnej materii można odpowiedzieć za 10 lub 15 lat, ale wciąż szukamy. Nasze badania dają niespotykaną rozdzielczość ciemnej materii, która może odróżnić cząstki kolizyjne od cząstek bezkolizyjnych.
Fraser: Czy istnieją inne instrumenty niż Hubble, które mogą wykonać tę pracę?
Dr Jee: Możemy wykonać soczewkowanie grawitacyjne za pomocą naziemnych teleskopów. W rzeczywistości w 1990 roku ludzie po raz pierwszy wykryli ciemną materię za pomocą soczewkowania grawitacyjnego. Ale kiedy wykonuje się soczewkowanie grawitacyjne za pomocą naziemnego teleskopu, rozdzielczość jest tak niska. Innymi słowy, turbulencje atmosferyczne rozmazają soczewki grawitacyjne, abyśmy nie mogli zobaczyć bardzo ciemnego obrazu bardzo wysokiej jakości obrazu. Ale jeśli użyjemy teleskopu w kosmosie, nie zamazuje on kształtu obrazu tła, dzięki czemu zachujesz sygnał soczewkowania grawitacyjnego. Możemy stworzyć obraz o bardzo wysokiej rozdzielczości rozkładu ciemnej materii.
Fraser: A większy instrument dałby lepszy obraz.
Dr Jee: Zdecydowanie. Kolejny teleskop to JWST (James Webb Space Telescope) skutecznie zwiększy rozdzielczość znaczenia ciemnej materii 10-krotnie lub więcej.
Fraser. Czy uważasz, że zobaczysz coś znacznie innego w rozdzielczości 10x?
Dr Jee: Globalny kształt rozkładu ciemnej materii nie zmieni się bardzo, ale w takim przypadku możemy być w stanie porównać strukturę ciemnej materii w odniesieniu do galaktyk. W takim przypadku możemy być w stanie odpowiedzieć, czy cząstki ciemnej materii mają jakieś właściwości kolizyjne. Na początku powiedziałem, że to, co znalazłem, jest zgodne z hipotezą bezkolizyjną. Istnieją jednak sugestie, że cząstki ciemnej materii mogą mieć bardzo małe właściwości kolizyjne. Więc moglibyśmy ustalić przesunięcie między ciemną materią a materią galaktyki. Daje to wiele możliwych ograniczeń w przekrojach poprzecznych między cząstkami normalnej i ciemnej materii.
Badanie zostało zgłoszone w Space Magazine 13 grudnia 2005 r.
