Vad är universum av? Oroa dig inte om du inte har en aning, astronomer inte heller. James Jee från Johns Hopkins University använde Hubble Space Telescope för att skapa en detaljerad karta över koncentrationer av mörk materia runt två galaxer. Och astronomer fick bara några nya ledtrådar.
Lyssna på intervjun: Dark Matter Maps (5 MB)
Eller prenumerera på Podcast: Prenumerera
Fraser Cain: Vi har hört ordet mörk materia ganska mycket. Kan du ge oss den nuvarande förståelsen av vad mörk materia är?
Dr. James Jee: Innan jag talar om mörk materia måste jag nämna vad astronomer tror nu hur universum kom till vad det är idag. Vi tror att 30% av universum är materia, och de andra 70% är mörk energi, och mörk materia utgör mer än 90% av materien i universum. Ingen har upptäckt mörk materia i laboratorierna, så de vet inte formen, färgen eller lukten av det, men det finns bevis för att det är där. Vi kan upptäcka det med den så kallade gravitationslinsen.
Fraser: Så du nyligen genomförde en undersökning med Hubble Space Telescope för att kartlägga koncentrationen av mörk materia. Vad var processen för att göra det?
Dr. Jee: Mörk materia utgör, som sagt, 90% av ämnet i universum, och det bästa stället att leta efter mörk materia är där det finns mest. Så vi pekade Hubble rymdteleskopet mot två av de mest intressanta galaxkluster som bildades när universum var halva sin nuvarande ålder.
Fraser: Och vad såg du?
Dr. Jee: Vi undersökte den spektrala fördelningen av bakgrundsgalaxerna. Genom att undersöka förvrängningen av dessa bakgrundsgalaxer kunde vi bestämma densiteten för mörk materia i förgrunden.
Fraser: Låt mig se om jag förstår detta korrekt. Du tittade på avlägsna galaxer, och genom att se hur ljuset förändrades när det kom mot oss, kunde du upptäcka var det var dolda klumpar av materia som påverkade det gravitationellt.
Dr. Jee: Exakt. Kanske är detta en bra analogi. Anta att du läser en nyhetsartikel med ett förstoringsglas, du kan dra slutsatsen eller linsernas tjocklek genom att undersöka hur mycket bokstäverna ser större ut genom förstoringsglaset. På samma sätt, om du tittar på förvrängningen, eller förstoringen, av bakgrundsgalaxerna, kan du bestämma densiteten för den svårfångade mörka materien i förgrunden.
Fraser: Vad är då förhållandet mellan mörk materia och galaxerna som vi kan se?
Dr. Jee: Det är den dominerande saken i universum och det har allvar. Utan mörk materia är det mycket svårt att bilda galaxer med storskaliga strukturer som vi ser i dagens universum. Så definitivt hjälper mörk materia bildandet av galaxer i storskalig struktur.
Fraser: Är det möjligt att där den mörka materien någonsin klumpar sig, det är där vi troligen kommer att se galaxer?
Dr. Jee: Ja, det är i grund och botten vad vi har hittat i vår forskning. Människor har spekulerat i att mörk materia är kollisionslösa partiklar och att den mörka materien och den normala materien bör existera tillsammans. Men ingen har kunnat fastställa detta mycket tydligt eftersom den mörka materien inte avger några elektromagnetiska vågor. Vad vi har funnit med hjälp av Hubble är att de lysande galaxerna bildas i de tätaste områdena av dessa mörka ämnen.
Fraser: Om vi vet att den här typen av klumpning sker - de två verkar gå hand i hand - gör det möjligt för dig att slänga ut några befintliga teorier för vad denna mörka fråga kan vara?
Dr. Jee: Ja, det här ger oss många ledtrådar. De flesta tror att mörk materia är kollisionsfri, men vissa antyder att de kan ha vissa kollisionsegenskaper som vätgas. Det sätt som mörk materia klumpar samman ger oss tips om vad den mörka materien är. Anta att den mörka materien har kollisionsegenskaper, som väteatomen, då kolliderar de varandra väldigt ofta, och vi ser en mycket smidig fördelning av en halo av mörk materia. Men vi har funnit att dessa strukturer är väldigt klumpiga, som massan i en galax själv. Det indikerar att partiklar av mörk materia, om några, kommer att vara kollisionslösa partiklar som de flesta av teorierna säger i dagens astronomi.
Fraser: Åh, jag förstår, så de faktiska partiklarna som kan orsaka denna mörka materia är antingen så små eller så svagt samverkande att de inte ens buntar ihop. Och om de bonk tillsammans, skulle du faktiskt se en jämnare sprut av spridning. Så baserat på de resultat du har fått, vad skulle då vara nästa steg i din forskning?
Dr. Jee: Advanced Camera for Surveys-programmet omfattar mer än 15 galaxkluster som är väldigt intressanta. Det här är bara de två första resultaten. Vi tror att om vi slutför våra 15 galaxkluster för undersökningen, så kommer vi att ha en mer tydlig bild av hur den mörka materien och den normala materien samverkar, eventuellt genom tyngdkraften tillsammans. Och vi kanske har en tydligare idé om hur den mörka materien bidrar till bildandet av universums storskaliga struktur.
Fraser: Och baserat på den forskning du har gjort hittills, har du en husdjursteori för vad den mörka materien kan vara?
Dr. Jee: Tja, om du går till Astro-ph-webbplatsen, det är webbplatsen som folk laddar upp sina olika forskningshandlingar, och det finns 10 eller 15 papper om dagen. Och det finns många spekulationer om detta som är väldigt attraktiva och troliga. Men jag antar att arten av mörk materia kan besvaras om 10 eller 15 år från och med nu, men vi söker fortfarande. Vår forskning ger en aldrig tidigare skådad upplösning av mörk materia kan skilja mellan kollisions- och kollisionslösa partiklar.
Fraser: Och finns det några andra instrument än Hubble som kan göra det här arbetet?
Dr. Jee: Vi kan göra gravitationslinsen med markbaserade teleskop. I själva verket var det 1990 som människor först upptäckte den mörka materien med hjälp av gravitationslinser. Men när du gör gravitationslinsen med ett markbaserat teleskop är upplösningen så dålig. Med andra ord, den atmosfäriska turbulensen kommer att smeta gravitationslinsen så att vi inte kan se en högkvalitativ bild av den mörka materien. Men om vi använder teleskopet i rymden, är det inte oskärpa formen på bakgrundsbilden så att du sparar gravitationslinsningssignalen. Vi kan komma med en mycket högupplöst bild av mörkämnesfördelning.
Fraser: Och ett större instrument skulle ge dig en bättre bild.
Dr. Jee: Definitivt. Nästa teleskop är JWST (James Webb Space Telescope) kommer effektivt att öka upplösningen av betydelsen av mörk materia med en faktor på 10 eller mer.
Fraser. Tror du att du skulle se något betydligt annorlunda med 10x-upplösningen?
Dr. Jee: Den globala formen för fördelning av mörk materia kommer inte att förändras så mycket, men i så fall kan vi kanske jämföra strukturen för mörkämnet med avseende på galaxerna. I så fall kanske vi kan svara på om partiklarna av mörk materia har vissa kollisionsegenskaper. Till att börja med sa jag att det jag har hittat stämmer med den kollisionslösa hypotesen. Men det har funnits några förslag på att partiklar av mörk materia kan ha några mycket små kollisionsegenskaper. Så vi kunde bestämma kompensationen mellan mörk materia och galaxmaterial. Det ger dig många möjliga begränsningar för kollisionstvärsektionerna mellan normala och mörka materialpartiklar.
Denna forskning rapporterades i Space Magazine den 13 december 2005.
