Yksinkertaisesti sanottuna Dark Matterin uskotaan paitsi muodostavan suurimman osan maailmankaikkeuden massasta, mutta se toimii myös rakennustelineenä, johon galaksit rakentuvat. Mutta löytääkseen todisteita tästä salaperäisestä, näkymättömästä massasta tutkijat pakotetaan luottamaan epäsuoriin menetelmiin, jotka ovat samanlaisia kuin mustien reikien tutkimiseen käytetyt. Pohjimmiltaan ne mittaavat kuinka Dark Matterin läsnäolo vaikuttaa tähtiihin ja galakseihin sen läheisyydessä.
Tähän päivään mennessä tähtitieteilijät ovat onnistuneet löytämään todisteita tumman aineen tarttumisesta keskikokoisten ja suurten galaksien ympärille. Tietojen käyttö Hubble-avaruuskaukoputki ja uuden tarkkailumenetelmän, ryhmä tähtitieteilijöitä UCLA: sta ja NASA JPL: stä havaitsi, että tumma aine voi muodostaa paljon pienempiä pahoja kuin aiemmin ajateltiin. Nämä havainnot esiteltiin tällä viikolla American Astronomical Society (AAS): n 235. kokouksessa.
Laajimmin hyväksytty teoria Dark Matterista toteaa, että se ei koostu samoista asioista kuin baryoninen (aka. Normaali tai ”valoisa” aine) - ts. Protonit, neutronit ja elektronit. Sen sijaan Dark Matter -teorian mukaan se koostuu jonkinlaisesta tuntemattomasta subatomisesta hiukkasesta, joka on vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa vain painovoiman kautta, heikoimmista perusvoimista - toiset ovat sähkömagneettisia, vahvoja ja heikkoja ydinvoimia.
Toisen laajalti hyväksytyn teorian mukaan Dark Matter liikkuu hitaasti muun tyyppisiin hiukkasiin verrattuna, ja siksi ne ovat alttiita paakkuille. Tämän ajatuksen mukaisesti maailmankaikkeuden tulisi sisältää laaja valikoima tumman aineen pitoisuuksia, pienestä suureen. Toistaiseksi pieniä pitoisuuksia ei kuitenkaan ole koskaan havaittu.
Hubble's Wide Field Camera 3: n (WFC3) hankkimien tietojen avulla tutkimusryhmä pyrki löytämään todisteita näistä pienistä ryppyistä mittaamalla valon kahdeksan kaukaisen galaksin (alias kvasaarit) kirkkaista ytimistä nähdäkseen, kuinka siihen vaikuttaa sen liikkumisen aikana. avaruudessa. Tätä tekniikkaa, jota tähtitieteilijät yleensä käyttävät etäisten galaksien, tähtiklustereiden ja jopa eksoplaneettojen tutkimiseen, tunnetaan gravitaatiolinssinä.
Alun perin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamana tämä tekniikka perustuu suurten kosmisten esineiden painovoimaan vääntyä ja suurentaa kauempana olevien esineiden valoa. Daniel Gilman UCLA: sta, joka oli tarkkailuryhmän jäsen, selitti prosessia näin:
”Kuvittele, että jokainen näistä kahdeksasta galaksista on jättiläinen suurennuslasi. Pienet tumman aineen kohoumat toimivat pieninä halkeamina suurennuslasilla, muuttaen neljän kvaasarikuvan kirkkautta ja sijaintia verrattuna siihen, mitä voit odottaa nähdäksesi, jos lasi olisi sileä. "
Toivottavasti Hubble kuvat osoittivat, että näistä kahdeksasta kvasaarista tuleva valo kohdistui linssivaikutukseen, joka on yhdenmukainen pienten kohoumien esiintymisen kanssa kaukoputken näkölinjassa ja etualan linssigalakseissa ja niiden ympäristössä. Kahdeksan kvasaria ja galaksia kohdistettiin niin tarkasti, että vääntymisvaikutus tuotti neljä vääristynyttä kuvaa kustakin kvasaarista.
Sitten ryhmä käytti yksityiskohtaisia laskentaohjelmia ja intensiivisiä jälleenrakennustekniikoita vääristymisen tasoa ennusteissaan siitä, kuinka kvasaarit näyttävät ilman pimeän aineen vaikutusta. Näitä mittauksia käytettiin myös tumman aineen pitoisuuksien massojen laskemiseen, mikä osoitti, että ne olivat 1/10000 - 1/100 000: nkertainen Linnunradan oman Dark Matter -halogeenin massan kanssa.
Sen lisäksi, että joukkueen tulokset ovat ensimmäistä kertaa havaittu pienissä pitoisuuksissa, se vahvistaa myös yhden ”Cold Dark Matter” -teorian perusteellisista ennusteista. Tämä teoria olettaa, että koska Dark Matter on hitaasti liikkuvaa (tai ”kylmää”), se pystyy muodostamaan rakenteita pienistä konsentraatioista valtaisiin, jotka ovat useita kertoja Linnunradan massasta.
Tämä teoria väittää myös, että kaikki maailmankaikkeuden galaksit muodostuivat pimeän aineen pilveistä, jotka tunnetaan nimellä “halogeenit”, ja sulautuivat niihin. Jotkut tutkijat ovat esittäneet todisteiden sijasta pienimuotoisia möhkäleitä siitä, että Dark Matter voi todella olla ”lämmin” - ts. Nopeasti liikkuva - ja siksi liian nopea muodostamaan pienempiä pitoisuuksia.
Uudet havainnot tarjoavat kuitenkin lopullisen todisteen siitä, että kylmän pimeän aineen teoria ja sen tukema kosmologinen malli - Lambda kylmän pimeän aineen (? CDM) -malli - ovat oikein. Kuten ryhmän jäsen prof. Tommaso Treu Kalifornian yliopistosta, Los Angelesista (UCLA) selitti, nämä viimeisimmät Hubble havainnot antavat uusia käsityksiä tumman aineen luonteesta ja sen käyttäytymisestä.
"Teimme erittäin houkuttelevan havaintokokeen kylmän pimeän aineen mallille ja se läpäisee lentävien värien kanssa", hän sanoi. "On uskomatonta, että lähes 30 vuoden käytön jälkeen Hubble mahdollistaa huipputekniset näkökulmat fysiikkaan ja maailmankaikkeuden luonteeseen, joista emme edes uneksineet, kun kaukoputki käynnistettiin."
Anna Nierenberg, tutkija NASA: n suihkukoneiden laboratoriossa, joka johti Hubble kysely, selitetty edelleen:
Tähtien pimeiden ainepitoisuuksien metsästys on osoittautunut haastavaksi. Hubblen tutkimusryhmä kuitenkin käytti tekniikkaa, jossa heidän ei tarvinnut etsiä tähtijen painovoimavaikutusta tumman aineen jäljittäjinä. Ryhmä kohdisti kahdeksan voimakasta ja kaukaista kosmista ”katuvaloa”, nimeltään kvasareja (alueet aktiivisten mustien reikien ympärillä, jotka säteilevät valtavasti valoa). Astronomit mittasivat, kuinka kunkin kvasarin mustaa reikää kiertävän hapen ja neonkaasun lähettämä valo vääntyy massiivisen etualalla sijaitsevan galaksin painovoiman avulla, joka toimii suurennuslasina.
Tutkimuksessa havaittujen pienten rakenteiden lukumäärä tarjoaa enemmän vihjeitä tumman aineen hiukkasten luonteesta, koska niiden ominaisuudet vaikuttavat siihen, kuinka monta kohoa muodostuu. Tyyppi hiukkasista, joista Dark Matter koostuu, on kuitenkin toistaiseksi mysteeri. Onneksi seuraavan sukupolven avaruusteleskooppien käyttöönoton odotetaan auttavan tässä suhteessa lähitulevaisuudessa.
Näitä ovat James Webbin avaruusteleskooppi (JWST) ja WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), jotka molemmat ovat infrapuna-observatorioita, joiden on tarkoitus nousta tällä vuosikymmenellä. Hienostuneella optiikallaan, spektrometrillä, suurella näkökentällä ja korkealla resoluutiolla nämä teleskoopit pystyvät tarkkailemaan kokonaisia avaruusalueita, joihin vaikuttavat massiiviset galaksit, galaksiklusterit ja niiden vastaavat halogeenit.
Tämän pitäisi auttaa tähtitieteilijöitä määrittämään Dark Matterin todellinen luonne ja miltä sen ainesosat näyttävät. Samanaikaisesti tähtitieteilijät suunnittelevat näiden samojen välineiden avulla oppia lisää Dark Energystä - toisesta suuresta kosmologisesta mysteeristä, jota voidaan tutkia vain epäsuorasti toistaiseksi. Jännittäviä aikoja on edessä!
