Mistä universumi on tehty? Älä huolestu, jos sinulla ei ole aavistustakaan, ei myöskään tähtitieteilijöistä. James Jee Johns Hopkinsin yliopistosta käytti Hubble-avaruusteleskooppia luomaan yksityiskohtaisen kartan tumman aineen pitoisuuksista kahden galaksin ympärillä. Ja tähtitieteilijät saivat juuri uusia vihjeitä.
Kuuntele haastattelua: Dark Matter Maps (5 MB)
Tai tilaa Podcast: Tilaa
Fraser Cain: Olemme kuulleet termin tumma aine melko vähän. Voitko antaa meille nykyisen käsityksen siitä, mikä on tumma aine?
Dr. James Jee: Ennen kuin puhun pimeästä aineesta, minun on mainittava, mitä tähtitieteilijät uskovat nyt kuinka universumi tuli sellaiseksi kuin se on nykyään. Uskomme, että 30% maailmankaikkeudesta on ainetta ja toinen 70% on tummaa energiaa ja tumma aine käsittää yli 90% maailmankaikkeuden aineesta. Kukaan ei ole havainnut tummaa ainetta laboratorioissa, joten he eivät tiedä sen muotoa, väriä tai hajua, mutta on todisteita siitä, että se on siellä. Voimme havaita sen ns. Gravitaatiolinssillä.
Fraser: Joten suoritit äskettäin tutkimuksen Hubble-avaruus teleskoopin avulla tumman aineen pitoisuuden kartoittamiseksi. Mikä oli prosessi tehdä se?
Dr. Jee: Pimeä aine käsittää, kuten sanoin, 90% maailmankaikkeuden aineesta, ja paras paikka etsiä tummaa ainetta on missä se on eniten. Joten osoitimme Hubble-avaruusteleskoopin kahdelle mielenkiintoisimmalle galaksiklusterille, jotka muodostuvat, kun maailmankaikkeus oli puoli nykyistä ikäänsä.
Fraser: Ja mitä näit?
Dr. Jee: Tutkimme taustagalaksejen spektrijakaumaa. Tutkimalla noiden taustagalaksioiden vääristymiä pystyimme määrittämään etualalla olevan pimeän aineen tiheyden.
Fraser: Anna minun nähdä, ymmärränkö tämän oikein. Katsoit kaukaisia galakseja, ja näkemällä tapa, jolla valo muuttui, kun se tuli kohti meitä, pystyit havaitsemaan, missä oli piilotettuja ainekokoja, jotka vaikuttivat siihen painovoimaisesti.
Dr. Jee: Aivan. Ehkä tämä on hyvä analogia. Oletetaan, että luet uutisia suurennuslasilla, voit päätellä linssien virran tai paksuuden tutkimalla, kuinka paljon kirjaimet näyttävät suurempina suurennuslasin läpi. Samoin, jos tarkastellaan taustagalaksejen vääristymää tai suurennusta, voit määrittää etualalla vaikeasti tavoitetun tumman aineen tiheyden.
Fraser: Mikä sitten on pimeän aineen ja galaksien välinen suhde, jonka voimme nähdä?
Dr. Jee: Se on hallitseva asia maailmankaikkeudessa ja sillä on painovoima. Ilman pimeää ainetta on erittäin vaikea muodostaa galakseja laajamittaisilla rakenteilla, joita näemme nykypäivän universumissa. Joten ehdottomasti, tumma aine auttaa galaksien muodostumista suuren mittakaavan rakenteessa.
Fraser: Onko sitten mahdollista, että missä tumma aine kohoaa, siinä näemme todennäköisesti galaksit?
Dr. Jee: Kyllä, se on pohjimmiltaan sitä, mitä olemme löytäneet tutkimuksemme. Ihmiset ovat spekuloineet, että tumma aine on törmäyksettömiä hiukkasia ja tumman aineen ja normaalin aineen pitäisi olla olemassa yhdessä. Mutta kukaan ei ole pystynyt määrittämään tätä hyvin selvästi, koska tumma aine ei säteile mitään sähkömagneettisia aaltoja. Habblen avulla olemme havainneet, että valoisat galaksit muodostuvat näiden tumma-ainehalojen tiheimmillä alueilla.
Fraser: Jos tiedämme, että tällaista rypistymistä tapahtuu - nämä kaksi näyttävät kulkevan käsi kädessä - antaakö se mahdollisuuden heittää pois olemassa olevia teorioita siitä, mikä tämä pimeä asia voi olla?
Dr. Jee: Kyllä, tämä antaa meille paljon vihjeitä. Useimmat ihmiset uskovat, että tumma aine on törmäyksetön, mutta jotkut väittävät, että niillä voi olla joitain törmäysominaisuuksia, kuten vetykaasu. Tapa, jolla tumma aine rypistyy yhteen, antaa meille vinkkejä siitä, mikä on tumma aine. Oletetaan, että tummalla aineella on törmäysominaisuuksia, kuten vetyatomilla, niin ne törmäävät toisiinsa hyvin usein, ja tumman aineen halogeeni jakautuu hyvin tasaisesti. Mutta olemme havainneet, että nämä rakenteet ovat hyvin kömpelöjä, kuten itse galaksin massa. Tämä osoittaa, että tumman aineen hiukkaset, mikäli niitä on, ovat törmäyksetön hiukkasia, kuten useimmat teoriat sanovat nykypäivän tähtitiedeessä.
Fraser: Voi, minä näen, joten todelliset hiukkaset, jotka voivat aiheuttaa tämän tumman aineen, ovat joko niin pieniä tai niin heikosti vuorovaikutuksessa, että ne eivät edes sitoutu yhteen. Ja jos he bonkisivat yhdessä, näkisit oikeasti tasaisemman jakelumurron. Joten sitten saamiesi havaintojen perusteella mikä olisi seuraava vaihe tutkimuksellesi?
Dr. Jee: Advanced Camera for Surveys -ohjelma kattaa yli 15 galaksiklusteria, jotka ovat erittäin mielenkiintoisia. Nämä ovat vain kaksi ensimmäistä tulosta. Uskomme, että jos valmistamme 15 galaksiklusteriamme tutkimusta varten, niin meillä on selkeämpi kuva siitä, kuinka tumma aine ja normaali aine ovat vuorovaikutuksessa, mahdollisesti painovoiman avulla yhdessä. Ja meillä voi olla selkeämpi käsitys siitä, kuinka tumma aine myötävaikuttaa maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteen muodostumiseen.
Fraser: Onko sinulla toistaiseksi tekemäsi tutkimuksen perusteella lemmikkiteoria, mikä voi olla pimeä aine?
Dr. Jee: No, jos siirryt Astro-ph-verkkosivustoon, se on verkkosivusto, jonka kautta ihmiset lataavat erilaisia tutkimuspapereitaan, ja siellä on kuin 10 tai 15 artikkelia päivässä. Ja tästä on monia spekulointeja, jotka ovat erittäin houkuttelevia ja uskottavia. Luulen kuitenkin, että tumman aineen luonteeseen voidaan vastata 10 tai 15 vuoden kuluttua, mutta etsimme edelleen. Tutkimuksemme antaa ennennäkemätöntä pimeän aineen erottelukykyä erottaa törmäykset ja törmäyksetön hiukkaset.
Fraser: Ja onko muita välineitä kuin Hubble, jotka voivat tehdä tämän työn?
Dr. Jee: Voimme tehdä painovoimalinssin maanpäällisillä kaukoputkilla. Itse asiassa se oli vuonna 1990, kun ihmiset havaitsivat ensin pimeän aineen gravitaatiolinssien avulla. Mutta kun teet gravitaation linssin käyttäen maapallolla varustettua kaukoputkea, resoluutio on niin huono. Toisin sanoen ilmakehän turbulenssi määrää gravitaation linssin, joten emme näe erittäin korkealaatuista kuvaa tummasta aineesta. Mutta jos käytämme kaukoputkea avaruudessa, niin se ei hämärtää taustakuvan muotoa, joten säästät painovoimaobjektiivisignaalin. Voimme keksiä erittäin korkean resoluution kuvan tumman aineen jakautumisesta.
Fraser: Ja isompi instrumentti antaa sinulle paremman kuvan.
Dr. Jee: Ehdottomasti. Seuraava kaukoputki on JWST (James Webb Space Telescope), joka lisää tehokkaasti tumman aineen merkityksen tarkkuutta kertoimella 10 tai enemmän.
Fraser. Luuletko näkeväsi jotain huomattavasti erilaista 10x-resoluutiolla?
Dr. Jee: Pimeän aineen jakauman globaali muoto ei muutu kovinkaan paljon, mutta siinä tapauksessa voimme ehkä verrata tumman aineen rakennetta galakseihin nähden. Tässä tapauksessa voimme pystyä vastaamaan, onko tumman aineen hiukkasilla joitain törmäysominaisuuksia. Alussa sanoin, että löytämäni on johdonmukaista törmäyksetön hypoteesin kanssa. Mutta on esitetty joitain ehdotuksia siitä, että tumman aineen hiukkasilla voi olla joitain erittäin pieniä törmäysominaisuuksia. Joten voisimme määrittää siirtymän tumman aineen ja galaksiaineen välillä. Se antaa sinulle paljon mahdollisia rajoituksia normaalien ja tumman aineen hiukkasten välisissä törmäysleikkauksissa.
Tämä tutkimus raportoitiin Space Magazine -lehdessä 13. joulukuuta 2005.
