Forskere giver ny indsigt i glorier af mørkt stof

Forskning fra University of Pennsylvania kunne kaste lys over fordelingen af ​​et af de mest mystiske stoffer i universet.

I 1970'erne, videnskabsmænd bemærkede noget mærkeligt ved galaksernes bevægelse. Alt stof ved kanten af ​​spiralgalakser roterede lige så hurtigt som materiale i den indre del af galaksen. Men ifølge tyngdelovene, genstande i udkanten skal bevæge sig langsommere.

Forklaringen:En form for stof kaldet mørkt stof, der ikke direkte interagerer med lys.

Mange videnskabsmænd tror nu, at mere end 80 procent af universets stof er låst inde i mystiske, endnu uopdaget, partikler af mørkt stof, som påvirker alt fra hvordan objekter bevæger sig i en galakse til hvordan galakser og galaksehobe klumper sig sammen i første omgang.

Dette mørke stof strækker sig langt uden for rækkevidden af ​​de fjerneste stjerner i galaksen, danner det, forskerne kalder en mørk stof-halo. Mens stjerner i galaksen alle roterer i en pæn, organiseret disk, disse mørke stofpartikler er som en bisværm, bevæger sig kaotisk i tilfældige retninger, hvilket holder dem oppustet for at afbalancere tyngdekraftens indadgående træk.

Bhuvnesh Jain, en fysikprofessor ved Penn's School of Arts &Sciences, og postdoc Eric Baxter udfører forskning, der kunne give ny indsigt i strukturen af ​​disse glorier.

Forskerne ønskede at undersøge, om disse mørke stof-haloer har en kant eller grænse.

"Folk har generelt forestillet sig en ret jævn overgang fra stoffet bundet til galaksen til stoffet mellem galakser, som også er gravitationsmæssigt tiltrukket af galakserne og hobene, " sagde Jain. "Men teoretisk, ved hjælp af computersimuleringer for nogle år siden, forskere ved University of Chicago viste, at der forventes en skarp grænse for galaksehobe, giver en tydelig overgang, som vi burde være i stand til at se gennem en omhyggelig analyse af dataene."

Forskere mener, at denne region, eller "kant" skyldes "splashback-effekten".

"Du har denne store mørk materie glorie, der sidder der, " sagde Baxter, "og det har ophobet stof gravitationsmæssigt gennem hele sin historie. Efterhånden som det stof bliver trukket ind, det bliver hurtigere og hurtigere. Når den endelig falder i glorien, den vender rundt og begynder at kredse. Den vending er, hvad folk er begyndt at kalde splashback, fordi ting sprøjter tilbage på en eller anden måde."

Da sagen "sprøjter tilbage, "det bremses. Fordi denne effekt sker i mange forskellige retninger, det fører til en opbygning af stof lige ved kanten af ​​glorien og et stejlt fald i mængden af ​​stof lige uden for denne position. Dette er, hvad Penn-forskerne udforskede i dataene.

Ved at bruge en galakseundersøgelse kaldet Sloan Digital Sky Survey, eller SDSS, Baxter og Jain så på fordelingen af ​​galakser omkring hobe. De dannede et team af eksperter ved University of Chicago og andre institutioner rundt om i verden for at undersøge tusindvis af galaksehobe. Ved at bruge statistiske værktøjer til at lave en fælles analyse af flere millioner galakser omkring dem, de fandt en dråbe ved kanten af ​​klyngen. Baxter og samarbejdspartner Chihway Chang ved University of Chicago ledede et papir, der rapporterede resultaterne, accepteret til offentliggørelse i Astrofysisk tidsskrift .

Ud over at se denne kant, når de så på galaksefordelingen, forskerne så også beviser for det i form af galaksefarver.

Når en galakse er fuld af gas og danner mange store, varme stjerner, varmen får det til at se blåt ud, når videnskabsmænd tager billeder af det.

"Men de store stjerner lever meget korte liv, " sagde Baxter. "De sprænger i luften. Det du står tilbage med er disse mindre, ældre stjerner, der lever i lange perioder, og de er røde."

Når videnskabsmænd ser på galakser i klynger, de ser røde ud, fordi de ikke danner stjerner.

"Tidligere undersøgelser har vist, at der er interaktioner inde i hoben, der kan få galakser til at holde op med at danne stjerner, " sagde Baxter. "Du kunne for eksempel forestille dig, at en galakse falder ind i en hob, og gassen fra galaksen bliver fjernet af gas i hoben. Efter at have mistet sin gas, galaksen vil ikke være i stand til at danne mange stjerner."

På grund af dette, videnskabsmænd forventer, at galakser, der har brugt mere tid på at kredse gennem en hob, vil se røde ud, mens galakser, der lige er begyndt at falde ind, vil se blå ud.

Forskerne bemærkede et pludseligt skift i galaksernes farver lige ved grænsen, give dem flere beviser for, at glorier af mørkt stof har en kant.

"Det var virkelig interessant og overraskende at se denne skarpe ændring i farver, "Jain sagde, "fordi ændringen af ​​galaksefarver er en meget langsom og kompleks proces."

Forskerne arbejder på et andet papir ved hjælp af en dybere undersøgelse af over hundrede millioner galakser kaldet Dark Energy Survey, eller DES.

Både SDSS og DES laver massive kort over himlen ved hjælp af et enormt kamera, som Jain sagde, ikke er meget fundamentalt anderledes end kameraerne i smartphones, men større og mere præcist og koster millioner af dollars at bygge.

I DES, når kameraet åbner, det tager en eksponering på et par minutter, og flytter derefter til en anden del af himlen. Denne proces gentages i løbet af flere år ved hjælp af forskellige filtre for at give forskere mulighed for at få en undersøgelse i flere farver.

DES giver forskerne mulighed for at foretage udvidede målinger, skubbe til større afstande.

I stedet for at måle fordelingen af ​​galakser, forskerne bruger et astrofysisk fænomen kaldet gravitationslinser til at undersøge haloerne af mørkt stof. I gravitationslinser, lys, der kommer til en iagttager, bøjer sig, når stof udøver tyngdekraft på det.

Forskerne kan analysere billeder af himlen for at se, hvordan klynger strækker billeder af galakserne bag dem.

"Lyset vil bøje, hvis der er masse, " sagde Baxter. "Ved at måle disse afbøjninger kan vi måle massen direkte, hvilket er køligt, fordi det meste af massen er mørkt stof, som vi ikke kan se, så det er en slags unik måde at undersøge det mørke stof på."

Med hensyn til grundlæggende forståelse af universet, Baxter sagde, mørkt stof er et af de største mysterier, der findes lige nu.

"Du ser i himlen, selv med de største optiske teleskoper, og du ser intet ud over galaksernes lys, " sagde Jain. "Der er bare denne mørke materie."

Forskerne håber, at deres forskning vil bidrage til en bedre forståelse af det mystiske stof, der udgør omkring 80 procent af stoffet i universet. Hvis de kan markere kanten af ​​en mørk materie glorie, det ville give dem mulighed for at teste ting som Einsteins teori om tyngdekraft og mørkt stofs natur.

"Det er bare en ny måde at se på klynger på, " sagde Jain. "Når du har fundet grænsen, kan du studere både standardfysikken for, hvordan galakser interagerer med hoben, og den mulige ukendte fysik af, hvad naturen af ​​mørkt stof og tyngdekraft er."