Nye Hubble-data tyder på, at der mangler en ingrediens i de nuværende teorier om mørkt stof

Observationer fra NASA/ESA Hubble Space Telescope og European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) i Chile har fundet ud af, at der muligvis mangler noget i teorierne om, hvordan mørkt stof opfører sig. Denne manglende ingrediens kan forklare, hvorfor forskere har afsløret en uventet uoverensstemmelse mellem observationer af koncentrationerne af mørkt stof i en prøve af massive galaksehobe og teoretiske computersimuleringer af, hvordan mørkt stof bør fordeles i klynger. De nye resultater indikerer, at nogle små koncentrationer af mørkt stof producerer linseeffekter, der er 10 gange stærkere end forventet.

Mørkt stof er den usynlige lim, der holder stjerner, støv, og gas sammen i en galakse. Dette mystiske stof udgør hovedparten af ​​en galakses masse og danner grundlaget for vores univers i stor skala struktur. Fordi mørkt stof ikke udsender, absorbere, eller reflektere lys, dens tilstedeværelse er kun kendt gennem dens tyngdekraft på synligt stof i rummet. Astronomer og fysikere forsøger stadig at finde ud af, hvad det er.

Galaksehobe, de mest massive og nyligt samlede strukturer i universet, er også de største depoter af mørkt stof. Klynger er sammensat af individuelle medlemsgalakser, der i vid udstrækning holdes sammen af ​​mørkt stofs tyngdekraft.

"Galaksehobe er ideelle laboratorier til at undersøge, om de numeriske simuleringer af universet, der er tilgængelige i øjeblikket, reproducerer godt, hvad vi kan udlede fra gravitationslinser, " sagde Massimo Meneghetti fra INAF-observatoriet for astrofysik og rumvidenskab i Bologna i Italien, undersøgelsens hovedforfatter.

"Vi har lavet en masse test af dataene i denne undersøgelse, og vi er sikre på, at denne uoverensstemmelse indikerer, at en fysisk ingrediens mangler enten fra simuleringerne eller fra vores forståelse af mørkt stofs natur, " tilføjede Meneghetti.

"Der er et træk ved det virkelige univers, som vi simpelthen ikke fanger i vores nuværende teoretiske modeller, " tilføjede Priyamvada Natarajan fra Yale University i Connecticut, OS., en af ​​de ledende teoretikere på holdet. "Dette kunne signalere et hul i vores nuværende forståelse af naturen af ​​mørkt stof og dets egenskaber, da disse udsøgte data har tilladt os at undersøge den detaljerede fordeling af mørkt stof på de mindste skalaer."

Fordelingen af ​​mørkt stof i klynger kortlægges ved at måle bøjningen af ​​lys - gravitationslinseeffekten - som de producerer. Tyngdekraften af ​​mørkt stof koncentreret i klynger forstørrer og fordrejer lyset fra fjerne baggrundsobjekter. Denne effekt frembringer forvrængninger i formen af ​​baggrundsgalakser, som vises på billeder af klyngerne. Gravitationslinser kan ofte også producere flere billeder af den samme fjerne galakse.

Jo højere koncentrationen af ​​mørkt stof i en klynge, jo mere dramatisk dens lysbøjningseffekt. Tilstedeværelsen af ​​mindre klumper af mørkt stof forbundet med individuelle hobegalakser øger niveauet af forvrængninger. I en eller anden forstand, galaksehoben fungerer som en storstilet linse, der har mange mindre linser indlejret i sig.

Hubbles skarpe billeder blev taget af teleskopets Wide Field Camera 3 og Advanced Camera for Surveys. Koblet med spektre fra European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT), holdet producerede en nøjagtig, high-fidelity, mørkt stof kort. Ved at måle linseforvrængningerne kunne astronomer spore mængden og fordelingen af ​​mørkt stof. De tre centrale galaksehobe, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, og Abell S1063, were part of two Hubble surveys:The Frontier Fields and the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) programs.

To the team's surprise, in addition to the dramatic arcs and elongated features of distant galaxies produced by each cluster's gravitational lensing, the Hubble images also revealed an unexpected number of smaller-scale arcs and distorted images nested near each cluster's core, where the most massive galaxies reside. The researchers believe the nested lenses are produced by the gravity of dense concentrations of matter inside the individual cluster galaxies. Follow-up spectroscopic observations measured the velocity of the stars orbiting inside several of the cluster galaxies to therby pin down their masses.

"The data from Hubble and the VLT provided excellent synergy, " shared team member Piero Rosati of the Università degli Studi di Ferrara in Italy, who led the spectroscopic campaign. "We were able to associate the galaxies with each cluster and estimate their distances."

"The speed of the stars gave us an estimate of each individual galaxy's mass, including the amount of dark matter, " added team member Pietro Bergamini of the INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science in Bologna, Italien.

By combining Hubble imaging and VLT spectroscopy, the astronomers were able to identify dozens of multiply imaged, linse, background galaxies. This allowed them to assemble a well-calibrated, high-resolution map of the mass distribution of dark matter in each cluster.

The team compared the dark-matter maps with samples of simulated galaxy clusters with similar masses, located at roughly the same distances. The clusters in the computer model did not show any of the same level of dark-matter concentration on the smallest scales—the scales associated with individual cluster galaxies.

"The results of these analyses further demonstrate how observations and numerical simulations go hand in hand", said team member Elena Rasia of the INAF-Astronomical Observatory of Trieste, Italien.

"With high-resolution simulations, we can match the quality of observations analyzed in our paper, permitting detailed comparisons like never before, " added Stefano Borgani of the Università degli Studi di Trieste, Italien.

Astronomer, including those of this team, look forward to continuing to probe dark matter and its mysteries in order to finally pin down its nature.