Zaskakujące obserwacje Teleskopu Hubble'a. W naszych opisach ciemnej materii brakuje jakiegoś składnika

Bartłomiej Pawlak
Naukowcy korzystający z teleskopów Hubble'a i VLT wykryli, że w teoriach opisujących ciemną materię może brakować jakiegoś bardzo istotnego szczegółu. Obserwacje pokazały, że niewielkie skupiska ciemnej materii mogą powodować 10-krotnie silniejszy efekt soczewkowania grawitacyjnego, niż dotychczas sądzono.
Zobacz wideo Czarna dziura pożarła gwiazdę wielkości Słońca. NASA zarejestrowała niezwykle rzadkie zjawisko

Planety, gwiazdy, obłoki molekularne, galaktyki - ogółem wszystkie obiekty kosmiczne składające się z widzialnej materii (również czarne dziury, których nie da się zobaczyć) to zaledwie 15 proc. całej materii we Wszechświecie. Pozostałe 85 proc. to ciemna materia - w przeciwieństwie do widzialnej, nie odbija i nie emituje światła, dlatego nie da się jej zaobserwować w sposób bezpośredni, a jedynie poprzez oddziaływania grawitacyjne.

Naukowcy od lat wiedzą jednak, że ciemna materia istnieje. Wskazuje na to rozkład masy we Wszechświecie. Materii widzialnej jest zbyt mało, aby tworzyć galaktyki i łączyć je w grupy - są one znacznie bardziej masywne, niż wynikałoby to z bezpośrednich obserwacji wykrywalnego promieniowania.  Szacuje się, że ciemnej materii w gromadach galaktyk jest przynajmniej kilkukrotnie więcej niż widzialnej. Gdyby jej nie było, gromady takie zwyczajnie by się rozpadły, a galaktyki oddaliły się od siebie.

Naukowcy uważają, że teoria opisująca ciemną materię jest wybrakowana

Teraz naukowcy korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a oraz Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) opublikowali nowe, niezwykle ciekawe badanie. Astronomowie przyjrzeli się bliżej trzem gromadom galaktyk, bo to właśnie one są największymi rezerwuarami ciemnej materii we Wszechświecie.

Gromady galaktyk są idealnymi laboratoriami, w których można badać, czy dostępne obecnie symulacje Wszechświata dobrze pokazują to, co możemy wywnioskować z soczewkowania grawitacyjnego

- powiedział główny autor badania, Massimo Meneghetti z obserwatorium Astrophysics and Space Science w Bolonii.

Wyniki są zaskakujące, bo pokazują, że opisy teoretyczne ciemnej materii nie do końca zgadzają się z obserwacjami gromad galaktyk. Zdaniem badaczy, w teoriach opisujących ciemną materię brakuje jakiegoś tajemniczego składnika.

 

Niespodziewane efekty badań

Badacze wykorzystali Teleskop Hubble'a, aby zaobserwować soczewkowanie grawitacyjne, czyli charakterystyczne zagięcie światła przechodzącego w pobliżu dużego skupiska masy - np. gromady galaktyk. Efektem występowania tego zjawiska jest bardzo zniekształcony (a nawet zwielokrotniony) obraz odległego obiektu znajdującego się bezpośrednio za skupiskiem masy.

Teoretycznie im bardziej masywny jest obiekt na pierwszym planie, tym większe powinny być zniekształcenia. W przypadku gromad galaktyk obserwujemy zatem duże zniekształcenia powodowane przez całą gromadę i wiele mniejszych powodowanych przez galaktyki składowe tejże struktury. 

Teleskop Hubble'a weryfikuję teorię opisującą ciemną materięTeleskop Hubble'a weryfikuję teorię opisującą ciemną materię fot. NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), and the CLASH team

Problem w tym, że w obserwacjach wszystkich trzech gromad galaktyk, na których skupili się naukowcy (MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 i Abell S1063) tych mniejszych zniekształceń jest niespodziewanie wiele i są zaskakująco silne. Ba, niektóre niewielkie zagęszczenia ciemnej materii wywołały efekt soczewkowania grawitacyjnego aż 10 razy silniejszy niż oczekiwano.

Małe skupiska materii zbyt mocno zakrzywiają światło

Dodatkowe pomiary spektroskopowe prędkości poszczególnych gwiazd wykonane przy pomocy teleskopu VLT, pozwoliły badaczom oszacować masy wybranych galaktyk znajdujących się w tych gromadach. Obliczenia te uwzględniały udział ciemnej materii. Łącząc te dane z obserwacjami z Hubble'a, stworzono dokładną mapę rozkładu ciemnej materii w badanych gromadach galaktyk.

Te niezwykłe szczegółowe mapy porównano następnie z mapami gromad galaktyk o podobnej masie stworzonych na drodze symulacji komputerowych (a te oparte są na dotychczasowych opisach rozkładu ciemnej materii). Okazało się, że modele komputerowe nie pokazują tak wielu zagęszczeń ciemnej materii skupionych w pobliżu poszczególnych galaktyk, jak rzeczywiste obserwacje.

Hubble image of Abell S1063Hubble image of Abell S1063 fot. NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)

Autorzy badania nie wiedzą, co powoduje te zauważalne niezgodności. Uważają, że do tej pory nie uwzględnialiśmy jakiegoś tajemniczego składnika lub źle rozumieliśmy naturę ciemnej materii, dlatego dotychczasowe jej opisy były niepełne. Mają jednak nadzieję, że przyszłe badania pozwolą dowiedzieć się więcej na ten temat i odkryją tajemnicę ciemnej materii.

Przeprowadziliśmy wiele prób danych w tym badaniu i jesteśmy pewni, że ta niezgodność wskazuje, że brakuje jakiegoś składnika fizycznego albo w symulacjach, albo w naszym zrozumieniu natury ciemnej materii

- tłumaczy Meneghetti.

Czytaj też: Naukowcy odkryli najodleglejszą galaktykę podobną do Drogi Mlecznej. Wykorzystali soczewkowanie grawitacyjne