Mörk materia är osynlig för alla våra instrument, men det betyder inte att den inte finns där. Ett tillräckligt stort radioteleskop borde kunna kartlägga strålningen från pregalaktiskt väte - bildat kort efter big bang och synlig i alla riktningar. All ingripande mörk materia kommer att snedvrida denna strålning, som krusningar i ett damm, och avslöja dess närvaro och kvantitet.
När ljuset reser till oss från avlägsna föremål böjs banan något av gravitationseffekterna av de saker som det passerar. Denna effekt observerades först 1919 för ljuset från avlägsna stjärnor som passerade nära solens yta, vilket visade att Einsteins tyngdkraft är en bättre beskrivning av verkligheten än Newtons. Böjningen orsakar en detekterbar förvrängning av bilderna från avlägsna galaxer analog med förvrängningen av en avlägsen scen som ses genom en dålig fönsterruta eller reflekteras i en krusad sjö. Förvrängningens styrka kan användas för att mäta styrkan hos förgrundsobjekten och därmed deras massa. Om distorsionsmätningar finns tillgängliga för ett tillräckligt stort antal avlägsna galaxer, kan dessa kombineras för att göra en karta över hela förgrundsmassan.
Denna teknik har redan producerat exakta mätningar av den typiska massan som är förknippad med förgrundsgalaxier, samt masskartor för ett antal enskilda galaxkluster. Det lider ändå av några grundläggande begränsningar. Till och med ett stort teleskop i rymden kan bara se ett begränsat antal bakgrundsgalaxer, maximalt cirka 100 000 i varje himmeluppsättning på fullmånens storlek. Mätningar av cirka 200 galaxer måste i genomsnitt beräknas för att detektera gravitationsförvrängningssignalen, så det minsta området för vilket massan kan avbildas är ungefär 0,2% från fullmånen. De resulterande bilderna är oacceptabelt suddiga och är för korniga för många ändamål. Till exempel kan bara de allra största klumparna av materien (de största galaxklusteren) upptäckas på sådana kartor med någon säkerhet. Ett andra problem är att många av de avlägsna galaxerna vars förvrängning mäts ligger framför många av de massaklumpar som man vill kartlägga, och därför inte påverkas av deras allvar. För att göra en skarp bild av massan i en given riktning krävs mer avlägsna källor och kräver många fler av dem. MPA-forskare Ben Metcalf och Simon White har visat att radioutsläpp som kommer till oss från epoken innan galaxerna hade bildats kan ge sådana källor.
Cirka 400 000 år efter Big Bang hade universum svalnat tillräckligt för att nästan alla dess vanliga ämnen förvandlades till en diffus, nästan likformig och neutral gas av väte och helium. Några hundra miljoner år senare hade gravitationen förstärkt icke-enhetligheten till den punkt där de första stjärnorna och galaxerna kunde bildas. Deras ultravioletta ljus värmde sedan upp den diffusa gasen igen. Under den här uppvärmningen och under en längre period innan den var det diffusa väte varma eller svalare än strålningen kvar från Big Bang. Som ett resultat måste den ha absorberat eller avgivit radiovågor med en våglängd 21 cm. Universums expansion gör att denna strålning syns idag vid våglängder på 2 till 20 meter, och ett antal lågfrekventa radioteleskop byggs för närvarande för att söka efter det. En av de mest avancerade är Low Frequency Array (LOFAR) i Nederländerna, ett projekt där Max Planck Institute for Astrophysics planerar att ta en betydande roll, tillsammans med ett antal andra tyska institutioner.
Det pregalaktiska väte har strukturer i alla storlekar som är föregångarna till galaxer, och det finns upp till 1000 av dessa strukturer på olika avstånd längs varje siktlinje. Ett radioteleskop kan separera dessa eftersom strukturer på olika avstånd ger signaler vid olika observerade våglängder. Metcalf och White visar att gravitationsförvrängning av dessa strukturer skulle göra det möjligt för ett radioteleskop att producera högupplösta bilder av den kosmiska massfördelningen som är mer än tio gånger skarpare än det bästa som kan göras med galaxförvrängningar. Ett föremål som liknar massan som vårt eget mjölkväg kunde detekteras hela tiden tillbaka till universumets tid då universum bara var 5%. Sådan högupplösta avbildning kräver en extremt stor teleskopuppsättning, tät täcker ett område cirka 100 km tvärs över. Detta är 100 gånger den planerade storleken för tätt täckt central del av LOFAR, och cirka 20 gånger större än tätt täckt kärna i Square Kilometre Array (SKA), den största sådana anläggning som för närvarande diskuteras. Ett sådant gigantiskt teleskop kunde kartlägga hela gravitationsmassadistributionen av universum, vilket ger den ultimata jämförelsekartan för bilder som produceras av andra teleskoper som belyser endast den lilla bråkdel av massan som avger strålning de kan upptäcka.
Vi behöver dock inte vänta på att det gigantiska teleskopet får oöverträffade resultat från den här tekniken. En av de mest angelägna frågorna i nuvarande fysik är att få en bättre förståelse för den mystiska Dark Energy som för närvarande driver den accelererade expansionen av universum. Metcalf och White visar att masskartor över en stor bråkdel av himlen gjorda med ett instrument som SKA kunde mäta egenskaperna hos Dark Energy mer exakt än någon tidigare föreslagen metod, mer än 10 gånger så exakt som masskartor av liknande storlek baserat på gravitations förvrängningar av de optiska bilderna av galaxer.
Ursprungskälla: Max Planck Institute for Astrophysics News Release
