WFIRST vil tilføje brikker til mørkt stof-puslespillet

Den sande natur af mørkt stof er et af de største mysterier i universet. Forskere forsøger at bestemme, hvad mørkt stof præcist er lavet af, så de kan opdage det direkte, men vores nuværende forståelse har så mange huller, det er svært at vide, hvad vi leder efter. WFIRSTs evne til at undersøge brede dele af universet vil hjælpe os med at finde ud af, hvad mørkt stof kunne være lavet af ved at udforske strukturen og fordelingen af ​​både stof og mørkt stof på tværs af rum og tid.

Hvorfor er mørkt stof et så forvirrende emne? Forskere havde først mistanke om dets eksistens for over 80 år siden, da den schweizisk-amerikanske astronom Fritz Zwicky observerede, at galakser i Coma-hoben bevægede sig så hurtigt, at de burde have været slynget væk i rummet - men alligevel forblev de gravitationsmæssigt bundet til hoben af ​​uset stof. Så i 1970'erne, Den amerikanske astronom Vera Rubin opdagede den samme type problemer i individuelle spiralgalakser. Stjerner mod kanten af ​​galaksen bevæger sig for hurtigt til at blive holdt inde af galaksens lysende stof – der skal være meget mere stof, end vi kan se i disse galakser for at holde stjernerne i kredsløb. Lige siden disse opdagelser, videnskabsmænd har forsøgt at samle puslespillet ved hjælp af sparsomme spor.

Der er i øjeblikket en bred vifte af mørkt stof-kandidater. Vi har ikke engang en særlig god idé om, hvad massen af ​​mørkt stof partikler kan være, hvilket gør det svært at finde ud af, hvordan man bedst søger efter dem. WFIRSTs bredfeltsundersøgelser vil give et omfattende kig på fordelingen af ​​galakser og galaksehobe på tværs af universet i de mest detaljerede undersøgelser af mørkt stof, der nogensinde er foretaget, takket være mørkt stofs gravitationseffekter. Disse undersøgelser vil give ny indsigt i mørkt stofs grundlæggende natur, som vil gøre det muligt for forskere at finpudse deres søgeteknikker.

De fleste teorier om arten af ​​mørkt stof partikler tyder på, at de næsten aldrig interagerer med normalt stof. Selv hvis nogen tabte en stor del af mørkt stof på dit hoved, du ville sandsynligvis ikke opfatte noget. Du ville ikke have nogen midler til at opdage dets tilstedeværelse - alle dine sanser er omtumlede, når det kommer til mørkt stof. Du ville ikke engang forhindre det i at fare lige gennem din krop og videre mod Jordens kerne.

Dette sker ikke med almindelige ting, såsom katte eller mennesker, fordi kræfter mellem atomerne i jorden og atomerne i vores kroppe forhindrer os i at falde gennem jordens overflade, men mørkt stof opfører sig mærkeligt. Mørkt stof er så upåfaldende, at det endda er usynligt for teleskoper, der observerer kosmos i form af lys, som vores øjne ikke kan se, fra radiobølger til højenergiske gammastråler.

"Lenser" mørkt stof

Hvis mørkt stof er usynligt, hvordan ved vi at det eksisterer? Selvom mørkt stof ikke interagerer med normalt stof i de fleste tilfælde, det påvirker det gravitationsmæssigt (hvilket er hvordan det først blev opdaget for årtier siden), så vi kan kortlægge dets tilstedeværelse ved at se på klynger af galakser, de mest massive strukturer i universet.

Lys bevæger sig altid i en lige linje, men rum-tid - universets stof - er buet af massekoncentrationer i det. Så når lys passerer forbi en masse, dens vej kurver også:en lige linje i et buet rum. Lys, der normalt ville passere nær en galaksehob, bøjer sig i stedet mod og omkring den, producere intensiverede - og nogle gange flere - billeder af baggrundskilden. denne proces, kaldet stærk gravitationslinser, omdanner galaksehobe til kolossale naturlige teleskoper, der giver os et glimt af fjerne kosmiske objekter, der normalt ville være for svage til at være synlige.

Da mere stof fører til stærkere linseeffekter, gravitationslinseobservationer giver en måde at bestemme placeringen og mængden af ​​stof i galaksehobe. Forskere har opdaget, at alt det synlige stof, vi ser i galaksehobe, ikke er nær nok til at skabe de observerede vridningseffekter. Mørkt stof giver den overskydende tyngdekraft.

Forskere har bekræftet tidligere observationer ved at måle, hvor meget stof i det meget tidlige univers er "normalt", og hvor meget der er "mørkt" ved hjælp af eksperimenter som NASAs Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Selvom normalt stof udgør alt, hvad vi kan se, universet skal indeholde mere end fem gange så meget mørkt stof for at passe til observationerne.

WFIRST vil bygge på tidligere undersøgelser af mørkt stof ved at bruge såkaldt svag gravitationslinser, der sporer, hvordan mindre klumper af mørkt stof fordrejer de tilsyneladende former for fjernere galakser. At observere linseeffekter på denne mere raffinerede skala vil gøre det muligt for forskere at udfylde flere af hullerne i vores forståelse af mørkt stof.

Missionen vil måle placeringer og mængder af både normalt stof og mørkt stof i hundredvis af millioner af galakser. Gennem den kosmiske historie, mørkt stof har drevet, hvordan stjerner og galakser blev dannet og udviklet sig. Hvis mørkt stof består af tungt, træge partikler, det ville let klumpe sammen, og WFIRST skulle se galaksedannelse tidligt i den kosmiske historie. Hvis mørkt stof består af lysere, hurtigere bevægende partikler, det skulle tage længere tid at sætte sig i klumper og for store strukturer at udvikle sig.

WFIRSTs gravitationslinseundersøgelser vil give os mulighed for at kigge tilbage i tiden for at spore, hvordan galakser og galaksehobe blev dannet under påvirkning af mørkt stof. Hvis astronomer kan indsnævre kandidaterne til mørkt stof partikler, vi vil være et skridt tættere på endelig at opdage dem direkte i eksperimenter på Jorden.