Obserwacje przeprowadzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a oraz Bardzo Dużego Teleskopu (VLT – Very Large Telescope) w Chile sugerują, że w obecnych modelach dotyczących ciemnej materii czegoś brakuje. Ów nieodkryty jeszcze element może wyjaśniać, dlaczego naukowcy znaleźli zaskakujące różnice pomiędzy obserwowanym rozkładem ciemnej materii w masywnych gromadach galaktyk, a zgodnymi z obecnymi modelami symulacjami komputerowymi dotyczącymi tego zagadnienia. Nowe badania wskazują, że niewielkie skupiska ciemnej materii powodują aż 10 razy silniejszy niż sądziliśmy efekt soczewkowania grawitacyjnego.
Soczewkowanie grawitacyjne to efekt przewidziany przez Ogólną Teorię Względności Alberta Einsteina. Mówi ona, że grawitacja jest efektem zakrzywienia czasoprzestrzeni. Obiekty w kosmosie, takie jak np. planety, gwiazdy, a nawet światło, poruszają się po liniach prostych, ale w zakrzywionej czasoprzestrzeni nie są one takie same, jakie byłyby w płaskiej. Przez to dochodzące do nas światło z odległych ciał niebieskich jest “zakrzywione”, a obiekt, z którego pochodzi, wydaje się rozmazany i jaśniejszy. Analogiczny efekt obserwujemy na zakrzywionej powierzchni Ziemi – poruszając się w linii prostej na mapie, niekoniecznie wybieramy najkrótszą możliwą trasę.
Z kolei ciemna materia to rodzaj niewidzialnego kosmicznego kleju. Ze zwykłą, złożoną z atomów materią oddziałuje jedynie grawitacyjnie, lecz, jak przypuszczają naukowcy, stanowi nawet 27% całej masy i energii Wszechświata. Dla porównania zwykła, barionowa materia to jedynie około 5%. Resztę stanowi jeszcze bardziej tajemnicza ciemna energia, o której nie wiemy właściwie nic, prócz tego, że z jakiegoś powodu powoduje ekspansję (czyli rozszerzanie się) Wszechświata. Wracając do ciemnej materii, nie odbija ona ani nie emituje promieniowania elektromagnetycznego. O jej istnieniu dowiadujemy się dzięki wspomnianemu już soczewkowaniu grawitacyjnemu, a także dzięki temu, że zapewnia galaktykom wystarczającą masę, by nie rozpadały się pod wpływem wirowania.
Gromada galaktyk MACSJ 1206 widziana przez Hubble’a.
Gromady galaktyk to największe i najmasywniejsze struktury we Wszechświecie, a także największe rezerwuary ciemnej materii. Składają się z kilkunastu, kilkudziesięciu, lub nawet kilkuset pojedynczych galaktyk, utrzymywanych razem właśnie przez grawitację ciemnej materii.
„Gromady galaktyk są idealnymi laboratoriami, w których można badać, czy dostępne obecnie symulacje numeryczne Wszechświata dobrze odtwarzają to, co możemy wywnioskować z soczewkowania grawitacyjnego” – mówi Massimo Meneghetti z Obserwatorium Astrofizyki i Nauk o Kosmosie we Włoszech, główny autor najnowszego badania. – „Tym razem okazało się, że nasze symulacje są błędne i obserwujemy soczewkowanie grawitacyjne o cały rząd wielkości silniejsze, niż oczekiwaliśmy.”
„W tym badaniu przeprowadziliśmy wiele testów na danych i jesteśmy pewni, że ta znacząca różnica wskazuje, że brakuje jakiegoś składnika fizycznego w symulacjach lub w naszym zrozumieniu natury ciemnej materii” – dodaje.
„Jest pewna cecha prawdziwego Wszechświata, której po prostu nie uwzględniamy w naszych aktualnych modelach teoretycznych” – dodaje Priyamvada Natarajan z Uniwersytetu Yale w Connecticut w Stanach Zjednoczonych, jeden ze starszych teoretyków zespołu. -„Może to oznaczać lukę w naszym obecnym rozumieniu natury ciemnej materii i jej właściwości, ponieważ te znakomite dane pozwoliły nam zbadać szczegółowe rozmieszczenie ciemnej materii nawet w najmniejszej skali”.
Im więcej jest ciemnej materii w gromadach, tym silniejsze soczewkowanie grawitacyjne. Obecność niewielkich skupisk ciemnej materii związanych z poszczególnymi galaktykami nasila efekt soczewkowania grawitacyjnego aż dziesięciokrotnie. Gromada galaktyk może działać jak wielka soczewka, w której osadzonych jest wiele mniejszych soczewek.
Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego, zespół stworzył dokładną mapę ciemnej materii. Mierząc zniekształcenia soczewkowania, astronomowie mogli prześledzić ilość i rozkład ciemnej materii. Obserwacje trzech kluczowych gromad galaktyk, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 i Abell S1063, były częścią dwóch badań Hubble’a: The Frontier Fields i Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble (CLASH). Ku zaskoczeniu naukowców, dane ujawniły znacznie większą liczbę niewielkich soczewek wewnątrz gromad, niż można było przypuszczać. Badacze przypuszczają, że zostały one utworzone przez grawitację poszczególnych galaktyk. Wobec tego zmierzyli prędkość gwiazd krążących wewnątrz kilku galaktyk, by ustalić ich masy.
„Prędkość gwiazd dała nam możliwość oszacowania masy każdej galaktyki, w tym ilości ciemnej materii” – zauważa członek zespołu Pietro Bergamini z Obserwatorium Astrofizyki i Nauk o Kosmosie w Bolonii we Włoszech.
Następnie astronomowie wykonali symulacje dla gromad galaktyk o podobnych masach i w podobnej odległości.Gromady w modelu komputerowym wykazały inny poziom koncentracji ciemnej materii w mniejszych skalach – tych powiązanych z poszczególnymi galaktykami.
Choć dzięki licznym badaniom o ciemnej materii wiemy coraz więcej, z pewnością skrywa ona jeszcze wiele tajemnic.
