Kort sagt, Dark Matter tros inte bara utgöra huvuddelen av universumets massa utan fungerar också som byggnadsställningar som galaxer byggs på. Men för att hitta bevis på denna mystiska, osynliga massa tvingas forskare att lita på indirekta metoder som liknar dem som används för att studera svarta hål. I huvudsak mäter de hur närvaron av Dark Matter påverkar stjärnor och galaxer i dess närhet.
Hittills har astronomer lyckats hitta bevis på klumpar av mörk materia runt medelstora och stora galaxer. Använda data från Hubble rymdteleskop och en ny observationsteknik fann ett team av astronomer från UCLA och NASA JPL att mörk materia kan bilda mycket mindre klumpar än tidigare trott. Dessa resultat presenterades denna vecka på 235: e mötet i American Astronomical Society (AAS).
Den mest accepterade teorin om Dark Matter säger att den inte består av samma saker som baryonic (alias normal eller "lysande" materia) - dvs protoner, neutroner och elektroner. Istället är Dark Matter teoretiserad att bestå av någon slags okänd subatomisk partikel som samverkar med normal materia endast genom tyngdkraften, den svagaste av de grundläggande krafterna - de andra är elektromagnetiska, starka och svaga kärnkrafter.
En annan allmänt accepterad teori säger att Dark Matter rör sig långsamt jämfört med andra typer av partiklar och därför är benägna att klumpa sig. I enlighet med denna idé bör universum innehålla ett brett spektrum av mörka materialkoncentrationer, från små till stora. Men tills nu har inga små koncentrationer någonsin observerats.
Med hjälp av data som erhållits av Hubbles Wide Field Camera 3 (WFC3) försökte forskargruppen hitta bevis på dessa små klumpar genom att mäta ljuset från de ljusa kärnorna i åtta avlägsna galaxer (aka quasars) för att se hur det påverkas när det reser genom rymden. Denna teknik, som vanligtvis används av astronomer för att studera avlägsna galaxer, stjärnkluster och till och med exoplaneter, är känd som gravitationslinser.
Ursprungligen förutsagd av Einsteins teori om allmän relativitet, denna teknik förlitar sig på gravitationskraften hos stora kosmiska föremål för att varpa och förstora ljus från mer avlägsna objekt. Daniel Gilman från UCLA, som var medlem av observationsgruppen, förklarade processen så:
”Föreställ dig att var och en av dessa åtta galaxer är ett gigantiskt förstoringsglas. Små klumpar av mörkt material fungerar som små sprickor på förstoringsglaset och förändrar ljusstyrkan och positionen för de fyra kvasarbilderna jämfört med vad du kan förvänta dig att se om glaset var slätt. ”
Som hoppats, Hubble bilder visade att ljus från dessa åtta kvasarer utsattes för en linseffekt som överensstämmer med närvaron av små klumpar längs teleskopets siktlinje och i och kring förgrundens linsgalaxier. De åtta kvasarerna och galaxerna var i linje så exakt att varvningseffekten gav fyra förvrängda bilder av varje kvasar.
Med hjälp av utarbetade datorprogram och intensiva rekonstruktionstekniker jämförde teamet sedan distorsionsnivån med förutsägelser om hur kvasarerna skulle se ut utan påverkan från Dark Matter. Dessa mätningar användes också för att beräkna massorna av mörkmaterialkoncentrationerna, vilket indikerade att de var 1/10 000: e till 1/100 000: e gånger massan i Vintergatan: s egen Dark Matter-halo.
Förutom att det är första gången små koncentrationer har observerats, bekräftar teamets resultat en av de grundläggande förutsägelserna om "Cold Dark Matter" -teorin. Denna teori postulerar att eftersom Dark Matter är långsamt rörande (eller "kallt"), att den kan bilda strukturer som sträcker sig från små koncentrationer till enorma sådana som är flera gånger mjölkvägens massa.
Denna teori säger också att alla galaxer i universum bildades i moln av Dark Matter känd som "halo" och blev inbäddade i dem. I stället för bevis på småskaliga klumpar har vissa forskare föreslagit att Dark Matter faktiskt kan vara "varmt" - dvs snabbt rörligt - och därför för snabbt att bilda mindre koncentrationer.
De nya observationerna erbjuder dock ett definitivt bevis på att teorin om Cold Dark Matter och den kosmologiska modellen den stöder - Lambda Cold Dark Matter (? CDM) -modellen - är korrekt. Som teammedlem förklarade prof. Tommaso Treu från University of California, Los Angeles (UCLA), dessa senaste Hubble iakttagelser ger ny insikt om den mörka materiens natur och hur den beter sig.
"Vi gjorde ett mycket övertygande observationsprov för den kalla mörka materie-modellen och den passerar med flygande färger," sade han. "Det är otroligt att efter nästan 30 års drift möjliggör Hubble banbrytande åsikter om grundläggande fysik och universums natur som vi inte ens drömde om när teleskopet lanserades."
Anna Nierenberg, en forskare vid NASA Jet Propulsion Laboratory som ledde Hubble undersökning, förklarade ytterligare:
Jakt efter koncentrationer av mörk materia utan stjärnor har visat sig vara utmanande. Forskningsteamet från Hubble använde dock en teknik där de inte behövde leta efter stjärnornas gravitationspåverkan som spårare av mörk materia. Teamet riktade sig till åtta kraftfulla och avlägsna kosmiska "gatuljus", kallade kvasarer (regioner runt aktiva svarta hål som avger enorma mängder ljus). Astronomerna mätte hur ljuset som släpps ut av syre och neongas som kretsar runt var och en av kvasars svarta hål vrids av tyngden i en massiv förgrundsgalax, som fungerar som en förstoringslins.
Antalet små strukturer som upptäckts i studien erbjuder fler ledtrådar om arten av partiklar av mörkt material eftersom deras egenskaper skulle påverka hur många klumpar som bildas. Den typ av partikel som Dark Matter består av förblir emellertid ett mysterium för tillfället. Lyckligtvis förväntas utbyggnaden av nästa generations rymdteleskop inom en snar framtid hjälpa i detta avseende.
Dessa inkluderar James Webb Space Telescope (JWST) och Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), som båda är infraröda observatorier som planeras gå upp i årtiondet. Med deras sofistikerade optik, spektrometrar, stora synfält och högupplösta, kommer dessa teleskop att kunna observera hela områden i rymden som påverkas av massiva galaxer, galaxkluster och deras respektive halo.
Detta borde hjälpa astronomer att bestämma den verkliga naturen hos Dark Matter och hur dess beståndsdelar ser ut. Samtidigt planerar astronomer att använda samma instrument för att lära sig mer om Dark Energy, ett annat stort kosmologiskt mysterium som bara kan studeras indirekt för tillfället. Spännande tider ligger framöver!
