For å si det enkelt, antas ikke bare Dark Matter å utgjøre hoveddelen av universets masse, men fungerer også som stillaset som galakser er bygget på. Men for å finne bevis på denne mystiske, usynlige massen, blir forskere tvunget til å stole på indirekte metoder som ligner de som ble brukt til å studere sorte hull. I hovedsak måler de hvordan tilstedeværelsen av Dark Matter påvirker stjerner og galakser i nærheten.
Til dags dato har astronomer klart å finne bevis på mørke stoffklumper rundt mellomstore og store galakser. Bruker data fra Hubble romteleskop og en ny observasjonsteknikk, fant et team av astronomer fra UCLA og NASA JPL at mørk materie kan danne mye mindre klumper enn tidligere antatt. Disse funnene ble presentert denne uken på det 235. møtet i American Astronomical Society (AAS).
Den mest aksepterte teorien om Dark Matter uttaler at den ikke består av de samme tingene som baryonic (også vanlig eller "lysende" materie) - dvs. protoner, nøytroner og elektroner. I stedet er Dark Matter teoretisert for å være sammensatt av en slags ukjent subatomisk partikkel som samspiller med normal materie bare gjennom tyngdekraften, den svakeste av de grunnleggende kreftene - de andre er elektromagnetiske, sterke og svake atomkrefter.
En annen allment akseptert teori uttaler at Dark Matter beveger seg sakte sammenlignet med andre typer partikler, og derfor er utsatt for klumping. I samsvar med denne ideen, bør universet inneholde et bredt spekter av mørke stoffkonsentrasjoner, alt fra små til store. Til nå har det imidlertid ikke blitt observert noen små konsentrasjoner.
Ved å bruke data hentet av Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC3), forsøkte forskerteamet å finne bevis på disse små klumpene ved å måle lyset fra de lyse kjernene i åtte fjerne galakser (aka. Kvasarer) for å se hvordan det påvirkes når det ferdes gjennom verdensrommet. Denne teknikken, som vanligvis brukes av astronomer for å studere fjerne galakser, stjerneklynger og til og med eksoplaneter, er kjent som gravitasjonslinser.
Denne teknikken er opprinnelig forespeilet av Einsteins teori om generell relativitet, og er avhengig av gravitasjonskraften til store kosmiske objekter for å fordreie og forstørre lys fra fjernere objekter. Daniel Gilman fra UCLA, som var medlem av observasjonsteamet, forklarte prosessen slik:
«Tenk deg at hver av disse åtte galakser er et gigantisk forstørrelsesglass. Små mørkstoffklumper fungerer som små sprekker på forstørrelsesglasset, og endrer lysstyrken og plasseringen av de fire kvasarbildene sammenlignet med hva du forventer å se om glasset var glatt. ”
Som håpet, Hubble bilder viste at lys fra disse åtte kvasarene var utsatt for en linsevirkning som stemmer overens med tilstedeværelsen av små klumper langs teleskopets siktlinje og i og rundt linsegalakser i forgrunnen. De åtte kvasarene og galakser var innrettet så nøyaktig at deformerende effekten ga fire forvrengte bilder av hver kvasar.
Ved hjelp av forseggjorte databehandlingsprogrammer og intensive rekonstruksjonsteknikker sammenlignet teamet deretter forvrengningsnivået med spådommer om hvordan kvasarene ville se ut uten påvirkning fra Dark Matter. Disse målingene ble også brukt til å beregne massene av mørkstoffkonsentrasjonene, noe som indikerte at de var 1/10 000 til 1/100 000. gang ganger massen til Melkeveiens egen Dark Matter-glorie.
I tillegg til å være første gang det er observert små konsentrasjoner, bekrefter teamets resultater en av de grunnleggende forutsigelsene av "Cold Dark Matter" -teorien. Denne teorien postulerer at siden Dark Matter er sakte i bevegelse (eller "kald"), at den er i stand til å danne strukturer som spenner fra bittesmå konsentrasjoner til enorme som er flere ganger massen til Melkeveien.
Denne teorien sier også at alle galakser i universet dannet seg i skyer av Dark Matter kjent som "haloer" og ble innebygd i dem. I stedet for bevis på småskala klumper, har noen forskere antydet at Dark Matter faktisk kan være "varmt" - dvs. raskt i bevegelse - og derfor for raskt til å danne mindre konsentrasjoner.
Imidlertid tilbyr de nye observasjonene et definitivt bevis på at teorien om Cold Dark Matter og den kosmologiske modellen den støtter - Lambda Cold Dark Matter (? CDM) -modellen - er riktig. Som teammedlem prof. Tommaso Treu ved University of California, Los Angeles (UCLA), forklarte disse siste Hubble observasjoner gir ny innsikt i naturen til mørk materie og hvordan den oppfører seg.
"Vi gjorde en veldig overbevisende observasjonstest for modellen med kald mørk materie, og den passerer med flygende farger," sa han. "Det er utrolig at Hubble etter nesten 30 års drift muliggjør banebrytende synspunkter på grunnleggende fysikk og universets natur som vi ikke en gang drømte om da teleskopet ble lansert."
Anna Nierenberg, en forsker ved NASA Jet Propulsion Laboratory som ledet Hubble undersøkelse, forklart videre:
Jakt på konsentrasjoner uten mørk materie blottet for stjerner har vist seg å være utfordrende. Forskningsteamet i Hubble brukte imidlertid en teknikk der de ikke trengte å se etter stjerners gravitasjonspåvirkning som spor etter mørk materie. Teamet målrettet åtte kraftige og fjerne kosmiske "gatelys", kalt kvasarer (regioner rundt aktive sorte hull som avgir enorme mengder lys). Astronomene målte hvordan lyset som sendes ut av oksygen og neongass som kretser rundt hver av kvasarenes sorte hull, er snevd av tyngdekraften til en massiv forgrunnsgalakse, som fungerer som et forstørrelsesobjektiv.
Antallet små strukturer som er oppdaget i studien gir flere ledetråder om arten av mørke stoffpartikler siden deres egenskaper vil påvirke hvor mange klumper som dannes. Imidlertid forblir den typen partikkel som Dark Matter består av for tiden et mysterium. Heldigvis forventes utplasseringen av neste generasjon romteleskoper i nær fremtid å hjelpe i den forbindelse.
Disse inkluderer James Webb Space Telescope (JWST) og Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), som begge er infrarøde observatorier som planlegges å gå opp dette tiåret. Med sin sofistikerte optikk, spektrometre, store synsfelt og høye oppløsninger, vil disse teleskopene kunne observere hele områdene i verdensrommet påvirket av massive galakser, galakse klynger og deres respektive haloer.
Dette burde hjelpe astronomer med å bestemme den sanne naturen til Dark Matter og hvordan dens bestanddeler ser ut. Samtidig planlegger astronomer å bruke de samme instrumentene for å lære mer om Dark Energy, et annet stort kosmologisk mysterium som bare kan studeres indirekte foreløpig. Spennende tider ligger foran oss!
