Hubble registrerer de mindste kendte klumper af mørkt stof

Når du leder efter mørkt stof, astronomer skal ud på en slags "spøgelsesjagt". Det er fordi mørkt stof er et usynligt stof, der ikke kan ses direkte. Alligevel udgør det hovedparten af ​​universets masse og danner stilladset, som galakserne er bygget på. Mørkt stof er den gravitationelle "lim", der holder galakser såvel som galaksehobe sammen. Astronomer kan opdage dens tilstedeværelse indirekte ved at måle, hvordan dens tyngdekraft påvirker stjerner og galakser.

Det mystiske stof er ikke sammensat af det samme stof, der udgør stjerner, planeter, og mennesker. Dette materiale er normalt "baryonisk" stof, bestående af elektroner, protoner, og neutroner. Imidlertid, mørkt stof kan være en slags ukendt subatomær partikel, der interagerer svagt med normalt stof.

En populær teori hævder, at mørkt stof partikler ikke bevæger sig særlig hurtigt, hvilket gør det nemmere for dem at klumpe sammen. Ifølge denne idé, universet indeholder en bred vifte af koncentrationer af mørkt stof, fra lille til stor.

Astronomer har opdaget klumper af mørkt stof omkring store og mellemstore galakser. Nu, ved hjælp af Hubble og en ny observationsteknik, astronomer har fundet ud af, at mørkt stof danner meget mindre klumper end hidtil kendt.

Forskerne søgte efter små koncentrationer af mørkt stof i Hubble-dataene ved at måle, hvordan lyset fra fjerne kvasarer påvirkes, når det rejser gennem rummet. Kvasarer er de lyse sorte hul-drevne kerner af meget fjerne galakser. Hubble-billederne viser, at lyset fra disse kvasarbilleder fordrejes og forstørres af tyngdekraften af ​​massive forgrundsgalakser i en effekt, der kaldes gravitationslinser. Astronomer brugte denne linseeffekt til at detektere de små mørke stofklumper. Klumperne er placeret langs teleskopets sigtelinje til kvasarerne, såvel som i og omkring linsende galakser i forgrunden.

Ved at bruge NASAs Hubble-rumteleskop og en ny observationsteknik, astronomer har fundet ud af, at mørkt stof danner meget mindre klumper end hidtil kendt. Dette resultat bekræfter en af ​​de grundlæggende forudsigelser i den bredt accepterede teori om "koldt mørkt stof".

Alle galakser, ifølge denne teori, dannes og er indlejret i skyer af mørkt stof. Mørkt stof i sig selv består af langsomt bevægende, eller "kold, " partikler, der samles for at danne strukturer, der spænder fra hundredtusindvis af gange massen af ​​Mælkevejsgalaksen til klumper, der ikke er mere massive end vægten af ​​et kommercielt fly. (I denne sammenhæng, "kold" refererer til partiklernes hastighed.)

Hubble-observationen giver ny indsigt i mørkt stofs natur, og hvordan det opfører sig. "Vi lavede en meget overbevisende observationstest for modellen med koldt mørkt stof, og den består med glans, " sagde Tommaso Treu fra University of California, Los Angeles (UCLA), et medlem af observationsteamet.

Mørkt stof er en usynlig form for stof, der udgør hovedparten af ​​universets masse og skaber stilladset, som galakserne er bygget på. Selvom astronomer ikke kan se mørkt stof, de kan opdage dens tilstedeværelse indirekte ved at måle, hvordan dens tyngdekraft påvirker stjerner og galakser. Det kan være svært eller umuligt at opdage de mindste formationer af mørkt stof ved at lede efter indlejrede stjerner. fordi de indeholder meget få stjerner.

Mens koncentrationer af mørkt stof er blevet opdaget omkring store og mellemstore galakser, meget mindre klumper af mørkt stof er ikke blevet fundet før nu. I mangel af observationsbeviser for sådanne små klumper, nogle forskere har udviklet alternative teorier, herunder "varmt mørkt stof". Denne idé antyder, at mørkt stof partikler bevæger sig hurtigt, lynes for hurtigt sammen til at smelte sammen og danne mindre koncentrationer. De nye observationer understøtter ikke dette scenarie, at finde ud af, at mørkt stof er "koldere", end det skulle være i den alternative teori for varmt mørkt stof.

"Mørkt stof er koldere, end vi vidste i mindre skalaer, " sagde Anna Nierenberg fra NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, leder af Hubble-undersøgelsen. "Astronomer har udført andre observationstest af teorier om mørkt stof før, men vores giver det stærkeste bevis endnu for tilstedeværelsen af ​​små klumper af koldt mørkt stof. Ved at kombinere de seneste teoretiske forudsigelser, statistiske værktøjer, og nye Hubble-observationer, vi har nu et meget mere robust resultat, end det tidligere var muligt."

Det har vist sig udfordrende at jage efter koncentrationer af mørkt stof uden stjerner. Hubble-forskerholdet, imidlertid, brugt en teknik, hvor de ikke behøvede at lede efter stjerners gravitationspåvirkning som spor efter mørkt stof. Holdet målrettede otte kraftfulde og fjerne kosmiske "gadelys, " kaldet kvasarer (regioner omkring aktive sorte huller, der udsender enorme mængder lys). Astronomerne målte, hvordan lyset, der udsendes af ilt og neongas, der kredser om hver af kvasarernes sorte huller, fordrejes af tyngdekraften af ​​en massiv forgrundsgalakse, som fungerer som en forstørrelseslinse.

Ved at bruge denne metode, holdet afslørede mørkt stofklumper langs teleskopets sigtelinje til kvasarerne, såvel som i og omkring de mellemliggende linsegalakser. Koncentrationerne af mørkt stof påvist af Hubble er 1/10, 000 til 1/100, 000. gange massen af ​​Mælkevejens mørkstof-glorie. Mange af disse bittesmå grupperinger indeholder højst sandsynligt ikke engang små galakser, og derfor ville det have været umuligt at opdage ved den traditionelle metode til at lede efter indlejrede stjerner.

De otte kvasarer og galakser var justeret så præcist, at vridningseffekten, kaldet gravitationslinser, produceret fire forvrængede billeder af hver kvasar. Effekten er som at se på et funhouse-spejl. Sådanne firdobbelte billeder af kvasarer er sjældne på grund af den næsten nøjagtige justering, der er nødvendig mellem forgrundsgalaksen og baggrundskvasaren. Imidlertid, forskerne havde brug for de mange billeder for at udføre en mere detaljeret analyse.

Tilstedeværelsen af ​​de mørke stofklumper ændrer den tilsyneladende lysstyrke og position af hvert forvrænget kvasarbillede. Astronomer sammenlignede disse målinger med forudsigelser af, hvordan kvasarbillederne ville se ud uden påvirkning af det mørke stof. Forskerne brugte målingerne til at beregne masserne af de små koncentrationer af mørkt stof. For at analysere data, forskerne udviklede også omfattende computerprogrammer og intensive rekonstruktionsteknikker.

"Forestil dig, at hver af disse otte galakser er et kæmpe forstørrelsesglas, " forklarede teammedlem Daniel Gilman fra UCLA. "Små klumper af mørkt stof fungerer som små revner på forstørrelsesglasset, ændre lysstyrken og positionen af ​​de fire kvasarbilleder sammenlignet med, hvad du ville forvente at se, hvis glasset var glat."

Forskerne brugte Hubbles Wide Field Camera 3 til at fange det nær-infrarøde lys fra hver kvasar og sprede det i dets komponentfarver til undersøgelse med spektroskopi. Unikke emissioner fra baggrundens kvasarer ses bedst i infrarødt lys. "Hubbles observationer fra rummet giver os mulighed for at foretage disse målinger i galaksesystemer, der ikke ville være tilgængelige med den lavere opløsning af jordbaserede teleskoper - og Jordens atmosfære er uigennemsigtig for det infrarøde lys, vi havde brug for at observere, " forklarede teammedlem Simon Birrer fra UCLA.

Treu tilføjede:"Det er utroligt, at efter næsten 30 års drift, Hubble muliggør banebrydende visninger af grundlæggende fysik og universets natur, som vi ikke engang drømte om, da teleskopet blev opsendt."

Tyngdekraftslinserne blev opdaget ved at sigte gennem jordbaserede undersøgelser såsom Sloan Digital Sky Survey og Dark Energy Survey, som giver de mest detaljerede tredimensionelle kort over universet, der nogensinde er lavet. Kvasarerne er placeret omkring 10 milliarder lysår fra Jorden; forgrundsgalakserne, omkring 2 milliarder lysår.

Antallet af små strukturer opdaget i undersøgelsen giver flere fingerpeg om mørkt stofs natur. "Partikelegenskaberne af mørkt stof påvirker, hvor mange klumper der dannes, " Forklarede Nierenberg. "Det betyder, at du kan lære om partikelfysikken i mørkt stof ved at tælle antallet af små klumper."

Imidlertid, typen af ​​partikel, der udgør mørkt stof, er stadig et mysterium. "På nuværende tidspunkt der er ingen direkte beviser i laboratoriet for, at mørkt stof partikler eksisterer, " sagde Birrer. "Partikelfysikere ville ikke engang tale om mørkt stof, hvis kosmologerne ikke sagde, at det er der, baseret på observationer af dets virkninger. Når vi kosmologer taler om mørkt stof, vi spørger, 'Hvordan styrer det universets udseende, og på hvilken skala?'"

Astronomer vil være i stand til at udføre opfølgende undersøgelser af mørkt stof ved hjælp af fremtidige NASA-rumteleskoper såsom James Webb Space Telescope og Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), begge infrarøde observatorier. Webb vil være i stand til effektivt at opnå disse målinger for alle kendte kvasarer med fire linser. WFIRSTs skarphed og store synsfelt vil hjælpe astronomer med at foretage observationer af hele det område i rummet, der er påvirket af det enorme gravitationsfelt af massive galakser og galaksehobe. Dette vil hjælpe forskere med at afdække mange flere af disse sjældne systemer.

Holdet vil præsentere sine resultater på det 235. møde i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii.